Daniel Krois

Photochemical generation and reactivity of carbenes within an organic cavitand and capsule: Photochemistry of adamantanediazirines

Chemical behavior of carbenes (adamantylidenes) generated by photolysis of adamantanediazirines has been investigated while they were incarcerated within an organic container in water and on silica surfaces. Confined carbenes behave differently from the free ones, and their behavior is dictated by the nature and the structure of the host-guest complexes. The substituent present on the adamantyl skeleton controls the stoichiometry (1:1 or 2:2) and the orientation of guest molecules within the host.

Conformational analysis—XIII: Syn and anti [3.2]-, [3.3]-, [4.2]-, and [4.3]-metacyclophanes

Abstract While in [3.3]metacyclophane (19) the aromatic rings preferentially adopt the syn arrangement, its lower and higher homologues, i.e. [2,2]-, [3.2]-, [4.2], and [4.3]-metacyclophane (1, 6, 26 and 30), adopt the anti conformation. Substituted [m,n]metacyclophanes do not necessarily behave similarly to the parent hydrocarbons. Substituted compounds exhibiting a different conformation are [3.2]metacyclophane-1,11-dione (7) (syn), [3.3]metacyclophane-2,11-dione (24) and the corresponding bis[propylene thioacetal] (25) (anti), [4.2]metacyclophane-2,12-dione (27) (syn), and [4.3]metacyclophane-2,13-dione (31) (syn). Thus, the solution conformation of an [m.n]metacyclophane is sensitive both to chain length [m.n.] of the bridges and substitution. The ring inversion barriers determined by variable temperature 1H NMR decrease with increasing length of the bridges and qualitatively correlate with the transanular strain present in the pertinent system.

Geometry versus basicity of bilatrienes: Stretched and helical protonated biliverdins

SummaryThe ease of protonation of bilatrienes at the pyrrolenine nitrogen critically depends on their conformation. The biliverdin2 being constrained to a helical (Z, Z, Z, syn, syn, syn) geometry by its four link chain is ca. three orders of magnitude less basic than flexible open-chain bilatrienes like biliverdin-IXα dimethyl ester (1), which is shown to adopt a stretched conformation in its monoprotonated form. These results are obtained by a comparative investigation of the titrations of1 and2 with sulfuric acid in methanol and methanol-water by means of UV-VIS and NMR spectroscopy.ZusammenfassungDie Leichtigkeit der Protonierung von Biliverdinen am Pyrrolenin-Stickstoff hängt von ihrer Konformation ab. Das Biliverdin2, das durch eine viergliedrige Brücke in einer helikalen (Z, Z, Z, syn, syn, syn-Geometrie festgehalten wird, ist um ca. drei Größenordnungen weniger basisch als flexible offenkettige Bilatriene, wie der Biliverdin-IXα-dimethylester (1), der — wie gezeigt wird — in seiner monoprotonierten Form eine gestreckte Konformation einnimmt. Diese Ergebnisse werden durch eine vergleichende Untersuchung der Titrationen von1 und2 mit Schwefelsäure in Methanol bzw. Methanol-Wasser-Gemischen mithilfe der UV-VIS- und NMR-Spektroskopie erhalten.

CONFORMATION CONTROL OF BILATRIENES BY PEPTIDES : A SURVEY

SummaryA variety of bilipeptides has been synthesized and investigated by UV-VIS and CD spectroscopy to explore the conformational influence of peptide ligands on the covalently bound tetrapyrrol moiety. The results obtained are complemented by those reported previously. From the comprehensive data thus available several features of the peptidic chain regulating interactions with the bilatriene moiety have been elucidated. Accordingly, the presence of three amide linkages at the ligand is prerequiste for induction of pronounced conformational changes consisting either in a complete transition ofM intoP helical bilatriene species by inversion of all torsional angles, or in a stretching of the chromophore. The kind of conformational influence can be controlled by varying the position of the prolyl entity within a given peptide.ZusammenfassungEine gezielte Auswahl von Bilipeptiden wurde dargestellt; ihre UV-VIS und CD-Spektren wurden bezüglich einer konformativen Einflußnahme auf die kovalent gebundenen Tetrapyrrol-Einheiten untersucht und die Ergebnise durch kürzlich veröffentlichte ergänzt. Aus den so zugänglichen umfangreichen Daten lassen sich einige Charakteristika in der Bauweise der Peptidketten herleiten, die die Wechselwirkung mit dem Bilatrienteil bestimmen. Es zeigt sich, daß der Ligand zumindest drei Amidbindungen aufweisen muß, um ausgeprägte Konformationsänderungen hervorzurufen. Diese Einflußnahme äußert sich entweder in einem vollständigen Übergang vonM inP helikale Bilatrien-Spezies und kommt durch gleichzeitige Inversion aller Torsionswinkel zustande, oder aber sie bewirkt eine Streckung des Bilatrienteils. Die Art der Konformationsänderung läßt sich durch Variation der Position einer Prolyleinheit innerhalb eines vorgegebenen Peptides lenken.

Chiral discrimination in biliverdin (S)-amino acids, II: Structural variations of the amino acid functional groups

The Biliverdin-(S)-amino acid derivatives2–21 have been synthesized, and are subject to a thorough c. d. and u. v.-vis. electronic absorption analysis in the bilatriene chromophoric region. It is shown that the extent of chiral discrimination of the bilatriene helices is particularly sensitive towards structural variations of the amino acids bound to the propionic side chains. Thus, a pronounced decrease of chiral induction occurs if hydrogen bonding between one of the two essential coordination sites of the amino acid entity and the bilatriene backbone is disturbed. Accordingly, derivatives of (S)-amino acidt-butyl esters (3,5,7,16 and17) andN-substituted (S)-amino acids (8–10, 20 and21) generally display weak c. d. spectra. If additional polar groups are present in bis(amino acid) derivatives mutual interferences of the adjacent side chains must be taken into account. The attenuations of Δε-values observed for the bis(serine) and bis(aspartic acid) compounds14 and15 thus are mainly due to intramolecular interchain interactions. The results provide evidence in support of the proposed mechanism of chiral discrimination in biliverdin amino acids.ZusammenfassungDie Biliverdin-(S)-aminosäurederivate2–21 wurden dargestellt und ihre CD-und UV-VIS-Spektren im Absorptionsbereich des Bilatriens einer eingehenden Analyse unterworfen. Es zeigt sich, daß das Ausmaß der chiralen Induktion im Bilatrienteil gegenüber einer Strukturvariation der kovalent gebundenen Aminosäuren besonders empfindlich ist. So beobachtet man eine deutliche Verringerung des enantiomeren Überschusses der Bilatrienhelices, sobald die Wasserstoffbrückenbindungen zwischen einer der beiden maßgebenden Koordinationsstellen des Aminosäurefragments und dem Bilatrien gestört sind. Dementsprechend zeigen Derivate von (S)-Aminosäure-t-butylestern (3,5,7,16 und17) sowieN-substituierten Aminosäuren (8–10, 20 und21) vergleichsweise schwache CD-Spektren. Für Bis(aminosäure)derivate muß eine gegenseitige Störung der beiden Seitenketten nur dann in Betracht gezogen werden, wenn zusätzliche polare Gruppen vorhanden sind. So sind die Schwächungen, die bei den Bis(serin)-und Bis(asparaginsäure)derivaten14 und15 beobachtet werden, im wesentlichen auf intramolekulare Wechselwirkungen der benachbarten Seitenketten zurückzuführen. Die erhaltenen Ergebnisse stützen den vorgeschlagenen Mechanismus für die chirale Induktion bei Biliverdin-Aminosäuren.

Helically fixed chiral bilirubins and biliverdins: a new insight into the conformational, associative and dynamic features of linear tetrapyrrols

The 2,18-bridged biliverdins 1, 2 and 5 and bilirubins 3, 4 and 6 each forced into a helical conformation have been prepared and investigated by UV–VIS spectroscopy, 1H NMR spectroscopy techniques and vapour pressure osmometry. Barriers to interconversion of the tetrapyrrole moieties of M and P chirality were accomplished by kinetic measurements of partially resolved materials using CD spectroscopy. These results were compared with those obtained for non-bridged analogues reported here and in the literature. Based on the above, the structural and environmental factors controlling the dynamic, associative and conformational behaviour of biliverdins and bilirubins have been established. In this connection the complete conformational and associative pattern of bilirubin-IXα-dimethyl ester (10) is presented.

The induced circular dichroism of helically shaped racemic bilatrienes

SummaryThe imperfect mirror image relationship of the circular dichroism of (M) and (P) helical biliverdins bound to a homochiral entity (ICD) has been studied using the kinetically stable racemates (M+P)2 and (M+P)3. The phenomena associated with and eventual implications for the interpretation of ICD spectra of naturally occurring kinetically labile biliverdins in terms of chiral recognition are discussed.ZusammenfassungDie unvollständige Spiegelbildbeziehung zwischen dem Circulardichroismus (M)- und (P)-konfigurierter Biliverdine, die an eine homochirale Komponente gebunden sind (ICD), wird anhand der kinetisch stabilen Razemate (M+P)2 and (M+P)3 untersucht. Weiters werden die damit verbundenen Phänomene und mögliche Konsequenzen für die Interpretation des ICD natürlich vorkommender, kinetisch labiler Biliverdine als Ausdruck chiraler Erkennung diskutiert.

Investigation on intermolecular forces between bile pigments and polar model compounds mimicking the chromophore - protein interactions in biliproteins

Abstract A systematic investigation of intermolecular interactions of biliverdin-IXα-dimethyl ester and 2,18-bridged helically fixed verdinoid and rubinoid analogues with a variety of chiral compounds possessing a limited number of donor and/or acceptor sites was performed. To evaluate interaction strengths the concentration dependence of the induced chiral discrimination between M and P helical species as detected by CD was used. Biliverdin esters show pronounced association only with compounds exhibiting strong hydrogen bonding donor properties. In particular, if the donor of the ligand is provided by a carboxylic acid group defined 1 : 1 complexes are formed but no protonation of the tetrapyrrole backbone takes place. 2,18-bridged helical bilirubins - being monomeric under the conditions employed - behave similarly but interact with acceptors, too. Association constants were determined by Scatchard plot analysis. The quantitative data gained allow to map the non-covalent, polar binding properties of helical biliverdins and bilirubins. The implications of results for the conformation determining interactions in biliverdin peptides and biliproteins are discussed.

Restricted helix inversion in chiral 2,18-bridged biliverdins

SummaryThe energy barrier to helix inversion in biliverdin is doubled if the pyrrolinone rings are bonded by a four-link chain as present in the chiral diastereoisomers of 2,18-(1′,4′-dimethoxybutane-1′,4′-diyl)-8,12-bis(2″-methoxycarbonylethyl)-3,7,13,17-tetramethyl-1,19-(21H,24H)-bilindion1 and its hydroxy derivative2. The torsional restrictions thus imposed on the bilatriene moiety provide the basis for resolution by first-order asymmetric transformation with optically active mandelic acid. Interconversion barriers at 293 K range from 85 to 90 kJ mol−1 and were determined monitoring the rate of isomerization processes (M-RR)-1 b⇌(P-RR)-1 a, (P-SS)-1 b⇌(M-SS)-1 a, and the racemization process (P-RS)-1 c⇌(M-RS)-1 c by c.d. spectroscopy. Similar results were obtained with the bridged biliverdins2.ZusammenfassungDie Energiebarriere für die Helixinversion von Biliverdinen läßt sich durch Überbrücken der Pyrrolinonringe mit einer C-4 Einheit auf das Doppelte erhöhen. Derartige Verhältnisse liegen in den chiralen Diastereomeren des 2,18-(1′,4′-Dimethoxybutan-1′,4′-diyl)-8,12-bis(2″-methoxycarbonylethyl)-3,7,13,17-tetramethyl-1,19-(21H,24H)-bilindions1 und seines Hydroxyabkömmlings2 vor. Die dadurch bedingten Torsionsrestriktionen im Bilatrienteil stellen die Grundlage für eine Spaltung durch asymmetrische Umwandlung erster Art mit optisch aktiver Mandelsäure dar. Die Barrieren liegen zwischen 85 und 90 kJ mol−1 (293 K) und wurden aus der Geschwindigkeit der Isomerisierungsprozesse (M-RR)-1 b⇌(P-RR)-1 a, (P-SS)-1 b⇌(M-SS)-1 a, sowie des Razemisierungsprozesses (P-RS)-1 c⇌(M-RS)-1 c mittels Circulardichroismus bestimmt. Ähnliche Ergebnisse wurden für die Isomeren von2 erhalten.

On the fate of biliverdin-IIIα-dimethyl ester formed by scrambling during syntheses of biliverdin-IXα-dimethyl ester from bilirubin

SummaryIn preparations of biliverdin-IXα-dimethyl ester (2 b) from bilirubin-IXα (1) the ratio of the XIIIα- and IIIα-isomers3 b and4 b, formed via intermolecular scrambling, should be unity. However, irrespective of the synthetic variant considered, the amount of4 b obtained usually is exceptionally low. This is partly ascribed to a consecutive reaction of4 b in acidic methanol affording the chiral diastereomeric bridged biliverdins5 (a undb) and6 (a andb), respectively.ZusammenfassungBei der Darstellung von Biliverdin-IXα-dimethylester (2 b) aus Bilirubin-IXα (1) sollte das Verhältnis der durch intermolekulares Scrambling gebildeten XIIIα- und IIIα-Isomeren3 b bzw.4 b eins betragen. Tatsächlich aber ist die Ausbeute an4 b, unabhängig von der verwendeten synthetischen Variante, immer sehr klein. Dieser Umstand läßt sich zumindest teilweise auf eine spezifische Reaktion von4 b in saurem Methanol zurückführen, in deren Verlauf die chiralen diastereoisomeren überbrückten Biliverdine5 (a undb) sowie6 (a undb) gebildet werden.