Bioinorganic studies on beryllium and related metals

• Applicant: Dr. Magnus Richard Buchner
• Subject Area: Inorganic Molecular Chemistry - Synthesis and Characterisation
• Term: from 2016 to 2020
• Project identifier: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Project number 298748096

• Final Report Year: 2020

Final Report Abstract

Beryllium gilt als das giftigste nicht-radioaktive Element, da schon geringste Mengen dieses Elements die chronische Berylliose auslösen können. Jedoch ist bisher wenig über dessen Wirkungsweise im menschlichen Körper verstanden. Daher wurde eine neuartige Route für die effiziente und sichere Synthese von Berylliumhalogeniden entwickelt. Diese wurden anschließend mit biomimethischen Liganden umgesetzt um zu verstehen an welchen Stellen in Biomolekülen das Berylliumion koordiniert und wie es mit diesen reagiert. Dabei wurde herausgefunden, dass Be2+ Ionen bevorzugt an Carboxylate und Alkohole koordinieren. Daher ist es wahrscheinlich, dass die Berylliumkoordination in Proteinen über Aminosäureseitenketten mit diesen funktionellen Gruppen erfolgt. Zudem wurde der elektronische und sterische Einfluss dieser Liganden untersucht. Dabei stellte sich heraus, dass in erster Linie die Sterik einen Einfluss auf die Stabilität dieser Berylliumverbindungen hat und große Liganden schlechter koordinieren. Des Weiteren wurden Untersuchungen zum Koordinationsverhalten von Lithium-, Beryllium-, Magnesium-, Aluminium- und Zinkionen mit polydentaten zyklischen Alkoholliganden durchgeführt. Hiervon erhoffte man sich Einsichten zur unterschiedlichen Wechselwirkungen dieser Metallionen mit Zuckern und Glykoproteinen. Letztere sind von immenser Bedeutung für die Immunerkennung und es wird vermutet, dass auch aluminiumbasierte Impfstoffverstärker (Adjuvantien) mit diesen wechselwirken. Hier wurde gezeigt, dass sich Be2+ Ionen hinsichtlich ihrer Koordinationsumgebung deutlich anders verhalten als Li+, Mg2+, Zn2+ und Al3+. Jedoch sind die spektroskopischen Eigenschaften von den entsprechenden Beryllium- und Aluminiumverbindungen ähnlich. Dies legt nahe, dass Aluminium- und Berylliumionen im Körper ähnliche Effekte auf Biomoleküle haben, jedoch Berylliumionen aufgrund deren deutlich geringerer Größe fester binden. Viele der Ergebnisse konnten nur in den wasserähnlichen, anorganischen Lösungsmitteln Schwefeldioxid und Ammoniak erhalten werden. Diese haben sich als hervorragend geeignet erwiesen, um die Wechselwirkung von Berylliumionen mit biomimetischen Liganden zu untersuchen. In allen synthetisierten Berylliumverbindungen war das Metall immer pseudotetraedrisch koordiniert. Um diese Koordinationsumgebung am Berylliumatom zu ermöglichen, bildeten sich häufig multinukleare Komplexe. Dem entsprechend sollten bei der Suche nach der für die Berylliose verantwortlichen Spezies auch mehrkernige Verbindungen in Betracht gezogen werden. Zudem erscheinen nur Bindungsstellen, die eine tetraedrische Koordinationsumgebung schaffen relevant für eine Interaktion mit Be2+. Aufgrund des hohen Ionenpotentials des Berylliumions ist es eine sehr starke Lewis-Säure. Dies führt zu Veränderungen an koordinierten Liganden und kann auch deren Brønstedt-Azidität deutlich erhöhen. Beides sind Auslöser für die Denaturierung von Biomolekülen und könnten für die toxische Wirkung von Berylliumverbindungen verantwortlich sein.

Publications

• A facile synthesis for BeCl2, BeBr2 and BeI2, Dalton Trans. 2018, 47, 12506–12510
  M. Müller, F. Pielnhofer, M. R. Buchner
  
• Beryllium Crown Ether Complexes Reinvestigated, Z. Anorg. Allg. Chem. 2018, 644, 1186–1189
  M. R. Buchner, M. Müller
  
• Beryllium – so giftig wie gedacht? Nachr. Chem. 2018, 66, 1137–1140
  M. R. Buchner
  
• Berylliumkomplexe mit biologisch relevanten funktionellen Gruppen: Koordinationsgeometrien und Bindungsaffinitäten, Angew. Chem. 2018, 130, 9321–9325
  M. Müller, M. R. Buchner
  
• Carboxylic acid ester adducts of beryllium chloride and their role in the synthesis of beryllium nitrates, Eur. J. Inorg. Chem. 2018, 2300–2308
  B. Scheibe, M. R. Buchner
  
• Beryllium induced conversion of aldehydes, Chem. Eur. J. 2019, 25, 11147–11156
  M. Müller, M. R. Buchner
  
• Understanding the localization of berylliosis; interaction of Be2+ with carbohydrates and related biomimetic ligands, Chem. Eur. J. 2019, 25, 16257–16269
  M. Müller, M. R. Buchner
  
• Speciation of Be2+ in acidic liquid ammonia and formation of tetra- and octanuclear beryllium amido clusters, Chem. Sci. 2020, 11, 5414–5422
  M. Müller, A. J. Karttunen, M. R. Buchner