Experimentelle Elektronendichtebestimmungen an Penicillinen und einem Fullerenderivat

Abstract

Die Zahl der experimentellen Ladungsdichtebestimmungen hat in den letzten Jahren stark zugenommen. Dies liegt vor allem an der immer größeren Verbreitung von Flächendetektoren zur Messung der für die Methode erforderlichen hochaufgelösten Röntgenbeugungsdatensätze. Außerdem liegt mit dem Programmpaket XD ein Computerprogramm vor, das es dem Nutzer ermöglicht, leicht Einfluß auf die wesentlichen Parameter im Hansen-Coppens- Multipolformalismus zu nehmen. Durch die Kombination der Flächendetektionstechnik und den in ihrer Primärstrahlintensität sehr intensiven Synchrotronstrahlungsquellen eröffnen sich für diese Methode immer weitere Anwendungsmöglichkeiten in allen Bereichen der Chemie. In dieser Arbeit wurden drei unterschiedliche Aspekte der Methode untersucht. Mit der Ladungsdichtestudie an Thioprolin konnten bessere Parameter für die Beschreibung der radialen Ausdehnung des asphärischen Valenzterms von Schwefel gefunden werden. Schwefel gilt, neben Phosphor und Chlor, als das Element, das bei Multipolverfeinerungen aufgrund seiner sehr diffusen Ladungsverteilung Probleme bereitet. Deshalb wurde, ausgehend von Datensätzen aus Röntgenbeugungsexperimenten bei 15 K und 120 K und theoretischen Strukturfaktoren aus quantenchemischen Rechnungen, eine systematische Studie zur Verbesserung der Radialparameter durchgeführt. Die topologische Analyse der Kohlenstoff-Schwefelbindungen und der Vergleich der Ergebnisse mit denen aus der Studie an zwei Penicillinderivaten und den verfügbaren Literaturwerten zeigen, daß trotz der Verbesserungen durch die radialen Parameter für diese Bindungen im Rahmen des Multipolmodells noch immer gewisse Unsicherheiten auftreten. In der Ladungsdichtestudie an zwei Penicillinderivaten, dem aktiven Penamecillin und dem inaktiven Penamecillin-1beta-sulfoxid, wurden die Erfahrungen aus der Verfeinerung der Modellverbindung Thioprolin eingebracht. Einkristalle beider Verbindungen wurden am Meßplatz F1 des HASYLAB/DESY mit Synchrotronstrahlung bei 100 K untersucht. Die topologische Analyse der experimentellen Ladungsdichte zeigt, daß die Bindungsstärke der für die Wirksamkeit entscheidenden Amidbindung in beiden Verbindungen gleich ist. Ein Einfluß dieser Größe auf die Wirksamkeit kann somit ausgeschlossen werden. Basierend auf den experimentellen elektrostatischen Potentialen der beiden Verbindungen kann jedoch ein Vorschlag für den Grund der so unterschiedlichen antibakteriellen Aktivität gemacht werden. Das Fullerenderivat Dodekakis-(ethoxycarbonyl)-C60 ist momentan mit über 100 Atomen in der asymmetrischen Einheit das größte Molekül, für das eine vollständige Ladungsdichtestudie mit anschließender topologischer Analyse durchgeführt wurde. Sowohl von experimenteller, als auch von theoretischer Seite stellt diese Studie eine große Herausforderung an die Methode dar. Die experimentelle Ladungsdichte basiert auf einem hochaufgelösten, bei 100 K mit Synchrotronstrahlung gemessenen Datensatz. Durch die topologische Analyse der Elektronendichte kann eine Korrelation zwischen der Bindungslänge von Kohlenstoff-Kohlenstoffbindungen und dem Wert der Elektronendichte am kritischen Punkt dieser Bindungen, einem Maß für die Bindungsstärke, gefunden werden. Ausgehend von diesem Zusammenhang kann die Stärke anderer C-C-Bindungen vorhergesagt werden.

The number of experimental charge density studies increased during the past years. This is prior to technical developments, especially the now widely spread area detectors which allow to measure high resolution X-ray diffraction data sets in a reasonable time. With the program system XD a computer program is available which enables the user to easily handle the substantial parameters in the Hansen-Coppens multipole formalism. The combination of the area detection technique with the highly intense primary beam intensity from synchrotron sources opens the method to more and more applications from all areas in chemistry. In this work three different aspects of the method were investigated. The charge density study on thioproline yielded improved parameters for the radial expansion of the aspherical valence term of sulfur. Besides phosphorus and chlorine, sulfur is considered to be the most troublesome element in multipole refinements due to its diffuse charge distribution. Therefore a systematic study using two experimental diffraction data sets at 15 K and 120 K and theoretical structure factors from quantum chemical calculations was performed. The bond topological parameters of the sulfur-carbon bonds are compared to those from the studies on two penicillin derivatives and to results from literature. Although the radial parameters improve the multipolar description of sulfur some uncertainties remain. In the charge density of two penicillin derivatives, the active penamecillin and the inactive penamecillin-1beta-sulfoxide, experience from the model compound thioproline could be used. Single crystals of both compounds were measured at the synchrotron beamline F1 at HASYLAB/DESY at 100 K. The cleavage of the amide bond in the beta-lactam ring is of paramount importance in the mechanism of action of penicillins. The topological analysis shows that the strength of this bond is equal in both compounds. Therefore an influence of this parameter on the mechanism can be excluded. Based on the experimental electrostatic potential an explanation of the different antibacterial activity of the two compounds is proposed. The fullerene derivative dodekakis-(ethoxycarbonyl)-C60 is currently with more than 100 atoms in the asymmetric unit the largest molecule a charge density study with subsequent topological analysis has been performed on so far. The study represents a challenge on the method from an experimental and theoretical point of view. The topological analysis yields a correlation between the value of the electron density at the bond critical point which is a measure for the bond strength and the length of carbon-carbon bonds. Based on that correlation the strength of other carbon-carbon bonds can be predicted.