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Metabolisierung

Beryllium ist als das giftigste nicht radioaktive Element bekannt. Dieser Ruf wurde durch das Auftreten der chronischen Berylliose nach teilweise einmaliger Exposition gegenüber Berylliumverbindungen begründet. Allerdings ist inzwischen bekannt, dass ausschließlich die Inhalation zu Erkrankungen führt und dass nur 3 – 5 % der Bevölkerung eine Disposition für berylliumassoziierte Krankheiten haben. Diese Bevölkerungsgruppe besitzt einen bestimmten Subtyp des MHC-II Rezeptors an welchen das Berylliumkation bindet und dort eine Immunreaktion hervorruft welche sich im Grenzbereich zwischen Hypersensibilisierung und Autoimunerkrankungen bewegt. Dennoch ist bisher unklar wie das Berylliumion im Protein gebunden wird, da es keine Vergleichsverbindungen mit biorelevanten funktionellen Gruppen gibt. Dies ist von besonderem Interesse, da auch Aluminiumadjuvantien in Impfungen an demselben Rezeptor agieren deren Wirkungsweise jedoch weitgehend unverstanden ist. Unser Ziel ist es daher durch die gezielte Synthese von simplen Aluminium-, Beryllium- und Zinkverbindungen mit biomimetischen Liganden eine Brücke zwischen der altbekannten wässrigen Koordinationschemie und biologischen und biochemischen Untersuchungen zu schlagen.

Struktur

Um die Lücken im Wissen über die Chemie des Berylliums zu schließen beschäftigen wir uns mit den grundlegenden Einflüssen auf die Struktur von Berylliumverbindungen. Hierfür untersuchen wir den elektonischen und sterischen Einfluss der Liganden auf die Struktur von Berylliumkomplexen. Die extreme Oxophilie harter (nach dem Pearson-Konzept) Metallkationen führt dazu, dass häufig Konkurrenz zwischen den Liganden und dem Lösungsmittel auftritt. Da sich Verbindungen dieser Metalle häufig schlecht in nicht sauerstoffatomhaltigen organischen Lösungsmitteln lösen bzw. viele der von uns verwendeten Liganden nicht in klassischen organischen Lösungsmitteln löslich sind, finden unserer Umsetzungen häufig auch in wasserähnlichen anorganischen Lösungsmitteln wie flüssigem Ammoniak, Schwefeldioxid oder Distickstofftetroxid statt. Diese zeigen große Ähnlichkeiten zu Wasser hinsichtlich ihrer Dipol- und/oder den Wasserstoffbrückenbindungseigenschaften. Dies ermöglicht die Durchführung von Reaktionen, welche weder in Wasser noch in organischen Lösungsmitteln möglich sind.

Reaktivität

Durch den stark Lewis-sauren Charakter des Berylliumkations sind Lewis-Säure katalysierte Reaktionen wie Friedel-Crafts-Alkylierungen oder Aldehyd-Zyklisierungen in der Regel deutlich schneller bzw. kommen mit deutlich geringeren Katalysatormengen aus als mit gängigen Lewis-Säuren wie AlCl₃. Daher verwenden wir unsere Erkenntnisse über die Berylliumkoordinationschemie für die Aktivierung von wenig reaktiven Bindungen. Aufgrund der extrem hohen Ladungsdichte am Be²⁺-Kation gepaart mit dem hohen Kovalenzanteil der Beryllium-Element Bindungen, zeigen sich Berylliumverbindungen als erstaunlich reaktiv und sind in der Lage C-Cl-, C-O- und Si-O-Bindungen bei Raumtemperatur zu spalten.

Dynamik

Dynamischen Prozessen sind essentiell für das Verständnis der Stabilität und Reaktivität von in Lösung befindlichen Spezies. Daher ist ein substanzielles Verständnis dieser Prozesse fundamental für ein rationelles Liganden- und Katalysatordesign. Daher untersuchen wir Ligandenaustauschprozesse an Berylliumverbindungen. Diese sind nämlich zum einen bisher nicht untersucht. Zum anderen ist aber auch ein prinzipielles Verständnis über den Ligandenaustausch unabdingbar für ein Verständnis der Prozesse, die für die Immunantwort des Körpers auf Berylliumverbindungen verantwortlich sind.