0 kcal/mol 1,66 kcal/mol 4,66 kcal/mol 4,18 kcal/mol. 1a 1b 1c 1d

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1 1. Zusammenfassung Für biologische Systeme ist die Peptidbindung eines der wichtigsten Bindungsmotive. Aufgrund des Vorhandenseins eines C=O-Protonenakzeptors und eines NH-Protonendonors können Wasserstoffbrückenbindungen gebildet werden. Diese sind mitverantwortlich für die Ausbildung der Sekundärstrukturen der Peptide. Um zu verstehen, wie Leben entstanden ist, ist es daher wichtig, die Peptidgruppe und deren Wechselwirkungen zu untersuchen. Für die Grundlagenforschung werden häufig Modellpeptide verwendet. Diese haben den Vorteil, dass sie kleiner und dadurch leichter zu untersuchen sind. In dieser Arbeit werden als Modellpeptide Acetamidoaceton (1) und N-Methylformamid (NMF, 2) verwendet. Das Acetamidoaceton weist neben der Peptidgruppe noch eine weitere Carbonylgruppe auf. Durch quantenchemische Berechnungen auf dem MP2/ G(d,p)-Niveau wurden die Geometrien der Monomere berechnet. Dabei ergaben sich vier verschiedene Konformere (Abbildung 1). Zwei weisen eine planare Struktur auf und zwei eine nicht-planare. Des Weiteren ist die Peptidgruppe in zwei Konformeren in cis- und bei zweien in trans-stellung. Die trans-konformere sind energetisch günstiger (um 4,66 kcal/mol (1a) bzw. 3,66 kcal/mol (1b)) als die cis-konformere. Die Konformere mit den planaren Strukturen sind energetisch günstiger als die nicht-planaren. Daraus folgt, dass Konformer 1a mit der planaren Struktur und der trans-peptidgruppe das energetisch günstigste Konformer ist. Bei den durchgeführten Matrix-IR-Experimenten wurde dieses Konformer (1a) in einer Argon-Matrix identifiziert. 0 kcal/mol 1,66 kcal/mol 4,66 kcal/mol 4,18 kcal/mol 1a 1b 1c 1d Abbildung 1: Geometrien und relative Energien der berechneten Monomere des Acetamidoacetons (MP2/ G(d,p)). Zur Untersuchung der Wechselwirkungen zwischen zwei Monomeren wurden quantenchemische Rechnungen durchgeführt. Hierfür wurde die MMH-Methode [1-7] 1

2 verwendet, welche zunächst 2000 Startgeometrien generierte. Nach Optimierung der Geometrien und Identifikation identischer Strukturen wurden vier verschiedene Konformere erhalten (Abbildung 2). Alle Dimere bestehen aus zwei trans-monomeren. Die energetisch ungünstigeren Dimere 5 und 6 bestehen aus je zwei planaren Monomeren, während in den Dimeren 3 und 4 jeweils nur ein planares Monomer vorhanden ist. In diesen Dimeren (3 und 4) ist je eine C=O HN-Wechselwirkung zwischen dem Sauerstoffatom einer Carbonylgruppe und einem Wasserstoffatom der Amidgruppe vorhanden. Die Bildung dieser Dimere konnte experimentell durch Matrix-IR-Experimente beobachtet werden. Dazu wurde die Matrix für eine bestimmte Zeit erwärmt, wodurch diese Diffusion ermöglicht. Durch einen Vergleich zwischen den erhaltenen und den berechneten Spektren konnten die gebildeten Dimere identifiziert werden. Die beste Übereinstimmung wurde für die Dimere 5 und 6 erhalten, wobei die Übereinstimmung für das Dimer 5 geringfügig größer ist. Eine weitere Unterscheidung zwischen diesen beiden Dimeren war aufgrund der geringen spektralen Unterschiede nicht möglich. Das Dimer 5 ist nach den durchgeführten Berechnungen nicht das energetisch günstigste, dafür besteht es aus zwei planaren Monomereinheiten. Somit wurde in der Matrix das Monomer erhalten, das nur Diffusion und keine Konformationsänderung der Monomere benötigt. Dies zeigt den erheblichen Einfluss der Matrixumgebung auf die gebildeten Dimere. -13,40 kcal/mol -14,70 kcal/mol -11,27 kcal/mol -12,53 kcal/mol Abbildung 2: Geometrien und relative Energien der berechneten Acetamidoaceton-Dimere mit MP2/ G(d,p). Wasser ist sowohl wichtiges Lösungsmittel für biologische Systeme, als auch Reaktionspartner. Daher ist es interessant, die Wechselwirkungen von Modellpeptiden mit Wasser zu untersuchen. Für die quantenchemische Berechnung der 1:1-Wasserkomplexe des Acetamidoacetons wurde die MMH-Methode [1-7] verwendet. Nach der Optimierung wurden 2

3 vier unterschiedliche Konformere erhalten (Abbildung 3). Drei dieser Komplexe (7, 8 und 10) bestehen aus einem planaren trans-monomer des Acetamidoacetons. Der vierte Komplex (9) weist eine nicht-planare Struktur auf, wodurch zwei Wasserstoffbrücken gebildet werden. Dadurch ist dieser Komplex der energetisch günstigste. Alle anderen Komplexe bilden nur eine Wasserstoffbrücke aus. Komplex 8 ist der energetisch ungünstigste; hier wird die Wasserstoffbrücke durch die C=O-Gruppe, die nicht an der Peptidbildung beteiligt ist, gebildet. Die Komplexe 7 und 10 bilden eine Wasserstoffbrücke zwischen der C=O- Peptidgruppe und einem Proton des Wassers aus. Der Unterschied dieser beider Komplexe besteht nur in der relativen Orientierung des Wasser- zum Acetamidoaceton-Moleküls. In free-warm-up -Experimenten mit Acetamidoaceton in wasserdotierter Argonmatrix (1 %) konnten die Wasserkomplexe beobachtet werden. Durch einen Vergleich mit den Rechnungen konnten die Komplexe 7 und 10 identifiziert werden. Eine weitere Unterscheidung zwischen diesen beiden Komplexen war aufgrund der geringen spektralen Unterschiede nicht möglich. Somit wurde auch in diesem Fall nicht der energetisch günstigste Komplex beobachtet, sondern derjenige, der durch einfache Diffusion ohne interne Rotation möglich ist. Damit zeigt sich auch hier wieder der Einfluss der Matrix auf die gebildeten Komplexe. Die Hygroskopie des Acetamidoacetons führte dazu, dass durch Spuren von Wasser bereits Wasserkomplexe gebildet werden; diese wurden dadurch auch bei der Untersuchung der Dimere erhalten. Die genaue Zuordnung der IR-Signale zu den Dimeren bzw. Wasserkomplexen erfolgte durch die Verwendung von D 2 O anstelle von H 2 O. -7,35 kcal/mol -4,45 kcal/mol -7,87 kcal/mol -6,03 kcal/mol Abbildung 3: Geometrien und relative Energien der berechneten 1:1 Acetamidoaceton-Wasserkomplexe mit MP2/ G(d,p). Acetamidoaceton kristallisiert in einem orthorhombischen Kristallsystem mit der Raumgruppe Pna2 1. Die Elementarzelle enthält vier Einheiten, in denen das Acetamidoaceton eine nicht- 3

4 planare Struktur annimmt. Zwischen der C=O-Peptidgruppe und der NH-Gruppe bilden sich Wasserstoffbrücken aus, die zur Ausbildung von Ketten führen. In der Literatur sind auch andere Amide bekannt, die eine Kettenstruktur aufweisen. [8-12] Somit ergibt sich eine gute Übereinstimmung zwischen Experiment und Literatur. Durch einen Vergleich der Kristallstruktur mit den Ergebnissen der Matrix-IR-Experimente zeigt sich der deutliche Einfluss der Matrixumgebung auf die Geometrie der Dimere bzw. Wasserkomplexe. Neben der Untersuchung der allgemeinen Wechselwirkungen von Peptiden bzw. Modellpeptiden ist auch die Untersuchung der Stabilität bei Bestrahlung interessant. Auf der Erde und im Weltall sind Peptide der Bestrahlung von UV-Licht (bzw. VUV-Licht) ausgesetzt. Hierbei stellt sich die Frage, ob die Verbindungen unter diesen Bedingungen stabil sind und wenn nein, in was sie zerfallen. In dieser Arbeit wird daher die Photochemie von N- Methylformamid (NMF, 2) untersucht. Für diese Untersuchungen wurde NMF (als Reinsubstanz) bei tiefer Temperatur (11 K) im Vakuum einer VUV-Bestrahlung (λ > 120 nm) ausgesetzt; was Weltallbedingungen entspricht. Unter diesen Bedingungen ist das NMF nicht stabil und zerfällt in CO 2, OCN - und CO (Abbildung 4). Als weiteres Photoprodukt wird vermutlich Methylamin gebildet. Diese Zuordnung ist aufgrund von Überlagerungen im Spektrum nicht eindeutig. Um mögliche Reaktionen von primären Photoprodukten zu untersuchen, wurden IR-Messungen in einer Wassermatrix durchgeführt. Hierbei zeigte sich, dass die Banden deutlich breiter sind als in einer Inertgasmatrix (bspw. Ar). Bei den verwendeten Versuchsbedingungen konnten keine Produkte einer Reaktion des NMFs oder dessen Photoprodukte mit Wasser beobachtet werden. So wurden dieselben Produkte erhalten wie bei der Messung als Reinsubstanz (CO 2, OCN -, CO und vermutlich Methylamin). Abbildung 4: Photochemie des NMFs als Reinsubstanz und in Wassermatrix bei Bestrahlung mit VUV-Licht (λ > 120 nm). Im Weltall ist Wasserstoff das häufigste Element. Von daher ist es interessant zu untersuchen ob eine Reaktion des NMFs bzw. der Photoprodukte hiervon mit Wasserstoff stattfindet. Dazu wurden bereits von ANDERSON und RUZI Messungen in p-h 2 -Matrix durchgeführt. [13] 4

5 Sie konnten zeigen, dass die primäre Photochemie (λ = 193 nm) zu HCO + NHCH 3, H + CONHCH 3 und CO + CH 3 NH 2 führt. Als sekundäre Produkte konnten CH 2 NH, HCN, HNC, HNCO, CH 3 NCO, CH 4 und NH 3 identifiziert werden. In Rahmen dieser Arbeit wurden Bestrahlungen (λ > 180 nm) in einer H 2 -Matrix durchgeführt (Abbildung 5). Als Photoprodukte wurden CO, HCN, Methan, HNCO, HCO und CH 3 NCO identifiziert. Damit sind die Messungen in guter Übereinstimmung mit der Literatur. [13] Abbildung 5: Photochemie des NMFs in Wasserstoffmatrix bei Bestrahlung mit VUV-Licht (λ > 180 nm). Zur genaueren Untersuchung der entstehenden Radikale bei der Bestrahlung (λ = 254 nm) wurden ESR-Spektren aufgenommen. Dabei wurde ein komplexes Spektrum erhalten, in dem bislang nur das H-Radikal, das Methylradikal und das Formylradikal identifiziert werden konnten (Abbildung 7). Durch einen Vergleich mit Literaturdaten bzw. berechneten Spektren konnte gezeigt werden, dass weder das π- (11) noch das σ-radikal (12) des NMFs in der Ar- Matrix gebildet wurde. [14-18] Abbildung 6: Beobachtete Radikale durch Bestrahlung von NMF in wässriger H 2O 2-Lösung. Links: π-radikal, rechts: σ-radikal. [14-18] Das Vorhandensein der CH 3 NH- und CH 2 NH 2 -Radikale ist nach einem Vergleich mit berechneten Spektren unwahrscheinlich. Ein Vergleich zwischen dem ESR-Spektrum des NMFs und dem des Methylamins zeigt, dass beide Spektren bis auf das zusätzliche Signal des Formylradikals beim NMF nahezu identisch sind. Das legt die Vermutung nahe, dass die Photochemie dieser beiden Substanzen nach einem ähnlichen Mechanismus abläuft. Um genauere Informationen über die bislang nicht identifizierten Radikale zu erhalten, wurden die deuterierten Isotopomere des NMFs hergestellt und vermessen. In diesen Spektren zeigen sich die Signale des D-Radikals, zudem sind die starken Signale neben dem Methylradikal 5

6 schwach bzw. nicht vorhanden. Das Formylradikal konnte hingegen bei diesen Spezies nicht beobachtet werden. Hier sind weitere Q-Band-ESR-Messungen notwendig, um die unbekannten Radikale zu identifizieren. Abbildung 7: Photochemie des NMFs in Ar-Matrix bei Bestrahlung mit UV-Licht (λ > 254 nm). Bisher wurden in dieser Arbeit Modellpeptide untersucht. Dabei ging es um die Frage der Wechselwirkungen in Dimeren bzw. Wasserkomplexen, beziehungsweise um die Stabilität unter weltallähnlichen Bedingungen. Neben diesen Grundlagen ist es interessant zu untersuchen, wie die Aminosäuren bzw. Peptide im Weltall gebildet werden können. Eine mögliche Bildungsreaktion ist hierbei die STRECKER-Synthese, die auch unter interstellaren Bedingungen ablaufen kann. [19] Für den Ablauf dieser Reaktion wird HCN benötigt. Dieses kann möglicherweise aus einer photochemischen Reaktion von Dicyan mit Wasserstoff entstehen. Zur Untersuchung dieser Reaktion wurde die VUV-Bestrahlung (λ > 120 nm) von Dicyan in einer Wasserstoffmatrix durchgeführt. Hierbei zeigte sich, dass wie erwartet HCN gebildet wird (Abbildung 8). Allerdings war HCN nicht das einzige Produkt dieser Reaktion. Bei relativ kurzer Bestrahlungszeit (< 35 min) erfolgte eine Isomerisierung des Dicyans zum Isocyanogen, sowie die Bildung von H 2 CN-Radikalen und HNC. Bei längerer Bestrahlung wurden zusätzlich CN-Radikale und Polymere-Aggregate des HCNs erhalten. Abbildung 8: Beobachte Photoprodukte des Dicyans in Wasserstoffmatrix bei Bestrahlung mit einer Wasserstofflampe (λ > 120 nm). 6

7 Die Bildung von HCN sollte aus einer Reaktion des CN-Radikals mit dem Wasserstoff der Matrix erfolgen und nicht durch eine Rekombination von CN-Radikalen mit H-Radikalen. Um auszuschließen, dass die Matrix angeregt wird und sich H-Radikale bilden, wurde ein Saphir- Fenster (keine Transmission < 140 nm) für die Wasserstofflampe verwendet. Somit kann der Wasserstoff nicht angeregt werden. Zudem wurden Messungen mit der Argonlampe (λ > 180 nm) durchgeführt. Bei beiden Messungen wurde HCN gebildet; somit handelt es sich bei der Reaktion um eine Reaktion des CN-Radikals mit der H 2 -Matrix. Experimente mit einem ArF-Laser (λ >=193 nm) zeigten, dass innerhalb der ersten 10 s keine Reaktion einsetzte und bei längerer Bestrahlung die Matrix abplatzte. Matrix-IR-Messungen in Argonmatrix ergaben, dass unter diesen Bedingungen ebenfalls CN- Radikale gebildet werden (Abbildung 9). Zudem erfolgt eine Isomerisierung zum Isocyanogen und zum Diisocyanogen. Damit ist klar, dass sich Dicyan unter VUV-Bestrahlung in CN- Radikale zersetzt, die je nach Bedingung rekombinieren und dadurch die Iso- bzw. Diisoverbindung bilden. Abbildung 9: Beobachte Photoprodukte des Dicyans in Argonmatrix bei Bestrahlung mit einer Wasserstofflampe (λ > 120 nm). Weitere Messungen wurden in D 2 -Matrix durchgeführt. Hierbei wurde DCN, DNC und das Isocyanogen erhalten (Abbildung 10). Abbildung 10: Beobachte Photoprodukte des Dicyans in Deuteriummatrix bei Bestrahlung mit einer Wasserstofflampe (λ > 120 nm). 7

8 Neben der Erforschung zu den Anfängen des Lebens ist es wichtig, das Leben zu schützen. Dazu gehört auch, dass Lebensmittel lange haltbar und frei von Giftstoffen sind. Daher ist es wichtig, auch bewährte Herbizide nach den neusten wissenschaftlichen Methoden zu testen. In dieser Arbeit wird das Herbizid Chlorpropham (CIPC), welches als Keimhemmer für Kartoffeln verwendet wird, untersucht. [20] Eine weitverbreitete Anwendung ist, dass Chlorpropham in Lösung (häufig Methanol) in einen heißen Gasstrom (ca. 500 ) eingebracht wird und der entstandene Nebel zu den Kartoffeln geleitet wird. [21] Hierbei ist die Frage, ob das Chlorpropham bei diesen Temperaturen überhaupt stabil ist und wenn nein, in was es sich zersetzt. In Zusammenarbeit mit G. BUCHER wurden quantenchemische Rechnungen zur Pyrolyse des CIPCs durchgeführt. Dabei wurden vier verschiedene Zerfallswege berücksichtigt, die teilweise katalysiert ablaufen (Abbildung 11). Abbildung 11: Mögliche Zerfallsreaktionen des CIPCs, teilweise katalysiert. In Abhängigkeit von der Temperatur sollten verschiedene Reaktionswege bevorzugt werden. Bei niedriger Temperatur sollte der Zerfall des CIPCs zu (3-Chlorphenyl)-carbamidsäure (CA, Carbamidsäure, 14) und Propen führen. Durch einen weiteren Zerfall des CA sollten sich m- Chloranilin (15) und CO 2 bilden. Bei Temperaturen über 400 C erfolgt nach den 8

9 Berechnungen ein Zerfall zu m-chlorphenylisocyanat (17) und Isopropanol. Die Rechnungen zeigen weiterhin, dass die stabileren trans-konforme des CIPCs zu den instabileren cis- Konformen des CA zerfallen und umgekehrt. Durch die Verwendung von Methanol als Lösungsmittel in der Anwendung stellt sich die Frage, ob dieses die Esterpyrolyse katalysiert. Dazu wurden Rechnungen mit dem CIPC- Methanol System durchgeführt. Zudem wurden andere mögliche Katalysatoren berücksichtigt. Dabei zeigte sich, dass die Katalysatoren wenig Einfluss auf die Reaktion ausüben. Bei Methanol als Katalysator wird die Aktivierungsenthalpie zwar gesenkt, allerdings ist diese immer noch zu hoch, als dass die Reaktion im Flüssigkeitsbereich von Methanol stattfinden könnte. Zur Untersuchung der Pyrolyse des CIPCs wurden sowohl Pyrolyse-Massenspektrometrie- Messungen als auch Matrix-IR-Experimente durchgeführt. Die Pyrolyse- Massenspektrometrie-Experimente zeigen, dass CIPC bei höherer Temperatur nicht stabil ist. Bis zu einer Temperatur von 400 C sind das Molekülion, das 2-Propylkation und das Carbamidsäurekation im Spektrum nachweisbar. Das Isopropanolkation und das m- Chlorphenylisocyanidkation erreichen bei 300 C die höchste Intensität. Bei dieser Temperatur kann auch ein Wechsel des Reaktionsmechanismus beobachtet werden. Durch die Matrix-IR-Experimente konnte gezeigt werden, dass in Ar-Matrix das trans-z- Konformer des CIPCs vorliegt. Auch hier kann der Wechsel des Reaktionsmechanismus beobachtet werden; dieser erfolgt um 500 C (Abbildung 12). Die Pyrolyse bei niedriger Temperatur (ab 300 C) führt zu m-chlorphenylisocyanat und Isopropanol im Verhältnis 1:1. Bei höherer Temperatur liefert die Pyrolyse m-chloranilin, CO 2 und Propen. Die Carbamidsäure konnte unter den Versuchsbedingungen nicht identifiziert werden. Um diese nachweisen zu können, wurde der Pyrolyseaufbau so verändert, dass das Matrixgas mit durch den Pyrolyseofen strömt. Dadurch sollen mögliche Nebenreaktionen wie etwa wasserkatalysierte Spaltungen am Quarzglas vermieden werden. Allerdings gelang auch unter diesen veränderten Versuchsbedingungen kein Nachweis der Carbamidsäure. Es zeigte sich, dass bei diesem Aufbau die Pyrolyse bei niedriger Temperatur abläuft (200 C statt 300 C). Das erklärt sich aus der Tatsache, dass in dieser Konfiguration die Pyrolyse sowohl mit der heißen Ofenwand als auch mit heißen Ar-Molekülen stattfinden kann. 9

10 Abbildung 12: Reaktionsschema der Pyrolyse des CIPCs. Bei 500 C erfolgt eine Änderung des Reaktionsmechanimus. Chlorpropham ist bei 500 C nicht stabil, sondern es zersetzt sich bereits zwischen 200 und 300 C (abhängig vom Versuchsaufbau). Daher sollte die Anwendungsmethode, bei der Lösungen von Chlorpropham in Methanol bei 500 C verwendet werden, überdacht werden. Es sollten Methoden entwickelt bzw. verwendet werden, die eine geringere Temperaturbelastung des CIPCs aufweisen, um so die Pyrolyse zu verhindern. Dies ist insbesondere wichtig, da CIPC ein weitverbreitetes Herbizid zur Keimhemmung bei Kartoffeln ist und einige der Pyrolyseprodukte giftig sind. 10