Residual dipolar couplings: a complementary tool for stereochemistry determination of drug compounds

NMR-Spektroskopie gehört zu den etabliertesten und leistungsfähigsten Methoden in Chemie und Strukturbiologie, und die Kenntnis der Konstitution, Konfiguration und oft auch der Konformation von Molekülen ist von zentraler Bedeutung für die Entdeckung neuer Wirkstoffe. NMR-Standardparameter wie chemische Verschiebung, 3J-Kopplungskonstanten und NOEs erlauben es, die Mehrzahl der organischen Moleküle strukturell aufzuklären. Verbindungen, die sich einer Strukturaufklärung mit Hilfe dieser Parameter entziehen, lassen sich oft durch Heranziehen komplementärer Parameter wie dipolarer Restkopplungen (RDCs) analysieren.
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Für die Messung von anisotropen NMR-Parametern werden Orientierungsmedien verwendet wie zum Beispiel mechanisch gespannte Gele, die Anisotropie in der Lösung induzieren. Darüber hinaus sind zur Anpassung der Anisotropie Dehnungsvorrichtungen hilfreich. Für effiziente Messungen von kleinen Probenmengen wurde in dieser Arbeit eine neue Apparatur entwickelt: ausgehend von der vorhandenen 5mm-Dehnungsvorrichtung wurde die Entwicklung einer 3 mm-Dehnungsvorrichtung durchgeführt. Um ebenfalls den Quellschritt des Gels steuern zu können, wurde eine neuartige Quellvorrichtung geschaffen. Die neue Dehnungsvorrichtung wurde in der Praxis getestet und zeigt ermutigende Ergebnisse für die Anpassung der Anisotropie an die passende Stärke. Darüber hinaus wurden Messungen von anisotroper Parametern mit hoher Genauigkeit erreicht.
RDCs liefern wertvolle globale-Informationen, zum Beispiel über die Orientierung internuklearer Vektoren innerhalb eines Moleküls. Mit Hilfe von RDCs wurden in der vorliegenden Arbeit die relativen Konfigurationen von Naturstoffen mit mehreren Stereozentren bestimmt, einschließlich der relativen Konfigurationen von tertiären Aminen. Zur Bestimmung der Konfigurationen wurden neben Standardmethoden auch molekular-dynamische Simulationen durchgeführt, in denen experimentelle RDCs als orientierende, tensorielle Randbedingungen verwendet wurden.
Die Bestimmung von absoluten Konfigurationen eines Moleküls ist unverzichtbar in der Arzneimittelforschung. Die wichtigste Methode hierzu ist die Röntgenstrukturanalyse, deren Anwendung jedoch durch die Verfügbarkeit eines hochwertigen Kristalls und dem oft hohen Zeitaufwand limitiert ist. Die Entwicklung von weiteren Methoden zur Aufklärung der Stereochemie ist aus diesem Grund ein aktives Forschungsfeld. In dieser Arbeit werden hierzu vorläufige, vielversprechende Daten zur Bestimmung der absoluten Konfiguration von Enantimerenpaare mit Hilfe von RDCs in chiralen Orientierungsmedien präsentiert.

NMR spectroscopy is one of the most powerful technique employed in chemistry and structural biology to characterize molecular properties such as the constitution, configuration and conformation of organic compounds and their interaction with drug targets. High-resolution standard NMR parameters such as chemical shift, 3J couplings and NOEs allow the structural elucidation of the majority of samples in isotropic solution. To study samples for which structural determination is not possible with these standard approaches, utilization of complementary parameters such as residual dipolar couplings (RDCs) is considered an attractive option.
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Anisotropic parameters are measurable only with the introduction of alignment. Therefore, the use of specific equipment such as adjustable stretching devices is necessary to generate strained gels, which are providing a tuneable anisotropic environment. For efficient assessment of small amounts of sample, a new 3 mm stretching device has been developed based on the design of the existing 5 mm stretching device and is described in this thesis. In addition, a swelling device has been built to control the swelling of a gel for NMR experiments. The new stretching device has been tested and shows encouraging results regarding the ability to adjust the degree of alignment to the right strength and for the determination of anisotropic parameters with high accuracy.
Since residual dipolar couplings depend on the distance and orientation between atoms, they can be used for structure elucidation of molecules with several stereocenters. In this thesis, making use of RDCs, the relative configurations of multiple natural products with several stereocenters have been successfully demonstrated including the determination of the relative stereochemistry of tertiary amines. In this context, next to standard static fitting procedures, also molecular dynamics simulations with tensorial orientational constraint were used to identify the correct configurations.
Finally, the indispensable determination of the absolute configuration has been attempted. The conventional method of choice is X-ray crystallography with its limitations like the necessity of obtaining a crystal and unpredictable timelines. Further method development for studying the absolute configuration of molecules is needed to overcome these limitations. By measuring RDCs of several enantiomeric pairs, a new method to determine the absolute configuration of molecules was investigated and preliminary promising data is presented.