3.3.7 Transformationen basierend auf Redox-Prozessen

Eine weiterer Typ von Reaktionen, die in weiten Bereichen der Synthese Anwendung finden, sind Oxidationen und Reduktionen. Letztere haben bereits bei topologisch orientierten Transformationssuchen (vgl. Abschnitt 3.3.3) eine Rolle gespielt, dort allerdings begrenzt auf Mehrfachbindungen des C-Skeletts. Hier sollen Redoxreaktionen dazu dienen, Atome in einen vergleichbaren Oxidationszustand zu versetzen.

Für das Kriterium Maximale Oxidation" werden folgende formale Schritte unternommen: Betroffen werden von dieser Transformation nur Atome der Stickstoff-Gruppe, Chalkogene und substituierte Kohlenstoffatome. Alle anderen Atome bleiben unbeeinflußt.

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o o o o o o o o o o o o o Die folgenden Abbildungen veranschaulichen diese Transformationen.

Eine spezielle Behandlung erfahren wiederum Fluor-Substituenten an C-Atomen. Sind sie Substituent an einem sp2-Kohlenstoff, werden sie zu Hydroxylgruppen hydrolysiert. Als Substituenten an sp3-Kohlenstoffen bleiben sie dagegen unverändert.

Unverändert, weil bereits im höchsten Oxidationszustand oder weil durch Oxidation nicht angreifbar, bleiben auch z. B. einfache Halogenide, quartäre Ammonium- oder Phosphoniumverbindungen, Carbonsäuren, Phosphin- und Phosphonsäuren, tertiäre N- und P-Oxide, P-Ylide bzw. Alkylidenphosphorane, Thion-, Dithio- und Thiolsäuren sowie S-Ylide bzw. Alkylidensulfane.

Abb. 3 - 23

Wirkung der Oxidationsregel auf Kohlenstoffverbindungen. Wo möglich, wird die korrespondierende Säure bzw. das Keton gebildet.


Abb. 3 - 24

Oxidation von Stickstoff- und Phosphor-haltigen Gruppen. Die Transformation führt zu den höchsten Oxidationsstufen.


Abb. 3 - 25

Wirkung der Oxidationstransformation auf Schwefelverbindungen. Es entstehen die höchsten Oxidationsstufen.


Das Kriterium Maximale Reduktion" reduziert Bindungen zwischen Heteroatomen und beliebige Mehrfachbindungen, d. h. sowohl CC- als auch CX-Mehrfachbindungen. Im einzelnen werden folgende Transformationen vorgenommen (siehe auch Abb. 3 - 26):

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o o o Mehrfachbindungen in Aromaten allgemein1 (Maximale Reduktion (ohne Aromaten)") bzw. nur Kohlenstoff-Aromaten (Benzole, Naphthole usw.; Maximale Reduktion (ohne C-Aromaten)") können von einer Reduktion ausgenommen werden. Das trägt der Tatsache Rechnung, daß Aromaten oft von einem Ausgangsmaterial übernommen werden sollen. Die Ähnlichkeitssuche kann auf diese Weise eingeschränkt werden.

Oxidations- und Reduktionstransformationen können oft alternativ eingesetzt werden. Sie führen beide z. B. alle Sauerstoff-substituierten Derivate eines Kohlenwasserstoffes vom Alkohol über den Aldehyd bis zur Carbonsäure in einer Trefferliste zusammen. Unterschiede ergeben sich aber, wenn CC-Mehrfachbindungen in der Anfrage vorkommen wie auch bei bestimmten Sonderfällen wie z. B. Disulfiden (siehe Abb. 3 - 27). Unterschiedlich ist auch die Behandlung von vollständig halogenierten Skelettpositionen: Bei der Oxidation werden solche Positionen in die entsprechenden Ketone bzw. Carbonsäuren überführt; bei der Reduktion tritt dort keine Veränderung auf.

Alle bislang vorgestellten Redox-Kriterien definieren eine sehr begrenzte Ähnlichkeit. Das resultiert vor allem daher, daß eine Verbindung an Heteroatomen, die mehrere C-Skelette verbinden, nicht fragmentiert wird2. Um dem Begriff der Ähnlichkeit basierend auf Redoxreaktionen eine etwas erweiterte Basis zu geben, wurden zwei weitere Transformationen implementiert: C-Skelett inklusive -Atome und maximale Oxidation" und C-Skelett inklusive -Atome und maximale Reduktion". Diese Transformationen stellen bereits Kombinationen einzelner Ähnlichkeitsoperationen dar.

Abb. 3 - 26

Wirkung der Reduktionstransformationen. Links oben resultieren Alkohole. Rechts oben schwefelhaltige Verbindungen, deren Reduktion zu Mercaptanen führt. Unten Verbindungen, die in Amine überführt werden.


Abb. 3 - 27

Unterschiedliche Wirkung der Reduktions- und Oxidations-Transformationen bei CC-Mehrfachbindungen und Disulfiden.


Übersicht 3 - 3 Ähnlichkeitskriterien basierend auf Redoxreaktionen

Maximale Oxidation

Oxidierbare Atome (substituierte Kohlenstoffe, Chalkogene, Elemente der Stickstoff-Gruppe) werden in ihre jeweils höchsten Oxidationszustand überführt.

Maximale Reduktion

Reduzierbare Atome (substituierte Kohlenstoffe, Chalkogene, Elemente der Stickstoff-Gruppe) und Gruppen (Bindungen zwischen Heteroatomen, Mehrfachbindungen) werden auf die niedrigste Oxidationsstufe reduziert.

C-Skelett inklusive -Atome und maximale Oxidation

Zunächst werden die C-Skelette extrahiert, wobei unmittelbar daran gebundene Heteroatome (-Atome) ebenfalls erhalten bleiben. Verbrückt ein Heteroatom mehrere C-Skelette wird dieses dupliziert. Offene Valenzen werden dann gesättigt und dann die Oxidationsregel angewandt. Nur das am Ende größte resultierende Fragment bleibt erhalten.

C-Skelett inklusive -Atome und maximale Reduktion

Wie oben wird bei der Extraktion der C-Skelette und der Behandlung der -Atome verfahren. Statt der Oxidationsregel wird hier die maximale Reduktion angewandt. Nur das am Ende größte Fragment bleibt erhalten.

Als ein Anwendungsbeispiel dient Äpfelsäure (23). Eine Suche im Fluka-Katalog mit der Transformation Maximale Oxidation" ergibt neun Treffer (siehe Abb. 3 - 28, Treffer markiert mit ). Die selbe Trefferliste wird auch mit dem Kriterium Maximale Reduktion" erhalten. Erweitert man den Ähnlichkeitsbegriff mit dem Kriterium C-Skelett inklusive -Atome und maximale Oxidation" werden 18 Treffer gefunden. In der mittels C-Skelett inklusive -Atome und maximale Reduktion" erzielbaren Liste fehlt 4-Trichlor-acetessigsäure-ethylester (24). Zum Vergleich: Das allgemeinste substitutions-basierte Ähnlichkeitskriterium (-AR+A1-CCMB-BO-MU) findet 107 Treffer, das mit der engsten Definition des Substitutionsmusters (-AR+A1+CCMB+BO+MU) immerhin 43.

In einem zweiten Beispiel sollen geeignete Ausgangsmaterialien für Pimelindiimidosäurediethylester (25) gefunden werden. Eine Suche im Fluka-Katalog mit dem Kriterium Maximale Reduktion" findet einen Treffer: den entsprechenden Pimelinsäureester (26, siehe Abb. 3 - 29). Keinerlei Treffer findet sich mit Maximale Oxidation". Die Ähnlichkeitssuche C-Skelett inklusive -Atome und maximale Reduktion" fördert sieben Treffer zu Tage. Ebenfalls einen Treffer findet man mit C-Skelett inklusive -Atome und maximale Oxidation": den zur Anfrage analogen Dimethylester (27). Die für die Synthese interessante Verbindung ist jedoch Pimelinsäuredinitril (28), die nur mit einem nicht zu eng begrenztem Ähnlichkeitskriterium (C-Skelett inklusive -Atome und maximale Reduktion") gefunden wird.

Abb. 3 - 28

Ähnlichkeitssuchen basierend auf Redoxreaktionen für Äpfelsäure (23, rechts unten). Die dargestellte Liste von 18 Verbindungen wird mit C-Skelett inklusive -Atome und maximale Oxidation" gefunden. Markierungen sind im Text erläutert.


Abb. 3 - 29

Suche nach Ausgangsmaterialien für Pimelindiimidsäurediethylester (25, Mitte unten) mittels redox-basierter Transformationen. Sieben Treffer ergibt die Transformationssuche C-Skelett inklusive -Atome und maximale Reduktion" (oben und links). Maximale Reduktion" führt zu genau einem Treffer (26, rechts unten).


Anwendungshinweise:

Ô

Ô



1
Allgemein bedeutet hier: Es wird keine Unterscheidung zwischen Hetero- und reinen C-Aromaten vorgenommen.
2
Man vergleiche dieses Verhalten mit den Hydrolyse- oder Substitutionstransformationen.