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Abstract:
Knowing the structure of reactive intermediates can yield unprecedented insight into organic reaction mechanisms. In particular for glycosyl cations – the reactive intermediates in glycosylations – the stereoselectivity of the reaction could be predicted by knowing the structure of the intermediate. The structure reveals whether an acyl protecting group of the monosaccharide unit interacts with the positively charged anomeric carbon so that it would shield one side from nucleophilic attack and thus steer the stereoselectivity of the reaction. These postulated approaches have been termed neighboring-group and remote participation. However, the short lifetime of reactive intermediates impedes their structural characterization in solution. Hence, for glycosyl cations, the structure remained elusive until very recently. These intermediates are not intrinsically unstable, but well-defined minima on the potential energy surface. Therefore, the ionic intermediates can be generated inside the vacuum of a mass spectrometer, free from nucleophiles or solvent molecules. In this environment, the isolated intermediates are stable and can subsequently be characterized using spectrometric or spectroscopic techniques. Recent advances in instrumentation allow coupling mass spectrometers with infrared lasers for infrared ion spectroscopy. Thus, highly-resolved infrared spectra of the analyte ions can be obtained by using cryogenic infrared spectroscopy in helium nanodroplets. To assign the obtained spectrum to a structure, it can be compared to harmonic frequencies of promising candidate structures calculated using density functional theory. This workflow was successfully used to determine the structure of several glycosyl cations, based on which, a new selective building block for 1,2-cis galactosylations was developed and its stereoselectivity was rationalized. Furthermore, it was determined that c-fragments of RNA dinucleotides are identical to the intermediate of RNA autohydrolysis. Finally, potentially antiaromatic carbocations were investigated.
Abstract:
Die Kenntnis der Struktur reaktiver Zwischenprodukte kann neue Einblicke in organische Reaktionsmechanismen liefern. Für Glykosylkationen – die Zwischenprodukte der Glykosylierungsreaktion – könnte die Stereoselektivität der Reaktion vorhergesagt werden, wenn die Struktur des Intermediats bekannt ist. Die Struktur zeigt, ob eine Acyl-Schutzgruppe mit dem positiv geladenen anomeren Kohlenstoff des Monosaccharids interagiert, um eine Seite vor nukleophilen Angriffen zu schützen. Diese Ansätze werden als Nachbargruppen- und Fern- partizipation bezeichnet. Die kurze Lebensdauer reaktiver Zwischenprodukte erschwert ihre strukturelle Charakterisierung in Lösung. Daher blieb die Struktur von Glykosylkationen bis vor Kurzem unklar. Die Intermediate sind jedoch nicht intrinsisch instabil, sondern definierte Minima auf der Potenzialhyperfläche. Daher können sie im Vakuum eines Massenspektrometers erzeugt werden, das frei von nukleophilen Verbindungen und Lösungsmittelmolekülen ist. In dieser Umgebung sind die isolierten Intermediate stabil und können anschließend mittels spektrometrischen und spektroskopischen Methoden charakterisiert werden. Fortschritte in der Entwicklung von Massenspektrometern ermöglichen ihre Kopplung mit Infrarotlasern, um Ionen mit Infrarotspektroskopie zu untersuchen. Daher können hochaufgelöste Infrarot- spektren der Analytionen durch kryogene Infrarotspektroskopie in Heliumtröpfchen erhalten werden. Um das gemessene Spektrum einer Struktur zuzuordnen, kann es mit harmonischen Frequenzen von vielversprechenden Strukturen, die mit Dichtefunktionaltheorie gerechnet wurden, verglichen werden. Diese Methode wurde in dieser Arbeit erfolgreich eingesetzt, um die Struktur mehrerer Glykosylkationen zu bestimmen. Basierend auf den so gewonnenen Daten wurde ein neuer selektiver Baustein für 1,2-cis Galaktosylierungen entwickelt und dessen Stereoselektivität wurde rationalisiert. Darüber hinaus wurde festgestellt, dass c-Fragmente von RNA-Dinukleotiden identisch mit dem Intermediat der RNA-Autohydrolyse sind. Schließlich wurden potenziell antiaromatische Carbokationen untersucht.
