und deren Synthese - Schweizer Jugend forscht

Antibakterielle
Komplexe
und deren Synthese
Jannis Portmann, Gymnasium St. Klemens, Ebikon
Schlussbericht
13. Februar 2014
Jannis Portmann
1 Zusammenfassung
Durch Synthese sollten zwei verschiedene Liganden entstehen, welche dann mit
Metallen komplexiert werden. Diese werden charakterisiert und auf ihre Wirksamkeit
gegenüber lebenden Organismen getestet.
2 Einführung
Mikroorganismen sind im menschlichen Körper weit verbreitet und an
verschiedensten Orten anzutreffen. In der Medizin sind sie vor allem als Erreger
bekannt; z.B. bilden diese auf Prothesen einen Biofilm, welcher unter Umständen
einen Infekt verursachen kann. In dieser kurzen Forschungsarbeit geht es darum,
eine Oberfläche zu synthetisieren, auf der sich keine, bzw. nur wenige
Mikroorganismen anlagern und vermehren können. Es wird untersucht auf welche
Weise ein solcher Stoff hergestellt werden kann.
3 Material & Methoden
Im Folgenden wird die genauere Vorgehensweise erläutert.
3.1 Synthese von N, N`-(Dodecan-1,12-diyl)bis(1-(pyridin-2-yl)methanimin
Die Synthese des Stoffes erfolgte in eigentlichen fünf Schritten:
1. Das 1,2-Diaminododecan (13.75 mmol) wurde in 50 mL Methanol gelöst.
2. Das 2-Pyridincaroxaldehyd (27.5 mmol) wurde mit einer Spritze dazugefügt.
3. Anschliessend wurde es über 4 Stunden zum Sieden erhitzt und dann
abgekühlt.
4. Das Lösungsmittel wurde im Rotationsverdampfer so weit wie möglich
entfernt.
5. Unter Vakuum wurde das restliche Lösungssmittel entfernt und das Produkt
getrocknet.
Das synthetisierte Produkt wurde danach analysiert und charakterisiert. Es wurde in
einem ersten Schritt auf seine Masse untersucht (Massenspektrometer). Danach
wurde seine Struktur noch auf seine Kernspinresonanz (NMR) untersucht (1H- und
13
C-NMR)1.
3.2 Synthese von N, N`-(Heptan-1,7-diyl)bis(1-(pyridin-3-yl)methanimin
Abbildung 1
1,12-Diaminododecan und 2-Pyridincarboxldehyd reagieren unter Ausstoss von Wasser zu
12
1
12 (N’E,N
E)-N
,N
bis(pyridin-2-ylmeathylin)dodecan-1,12-diamin
1
Siehe 4.1 (S.3) 2
Schlussbericht
13. Februar 2014
Jannis Portmann
Dises Synthese ist der Synthese von oben sehr ähnlich.
1.
2.
3.
4.
5.
Das 1,7-Diaminoheptan (14.09mmol) wurden in 50ml Methanol gelöst
Das 3-Pyridincarboxaldehyd (28.76mmol) wurde mit der Spritze hinzugefügt
Darauf folgt ein Reflux über 4 Stunden, Auskühlen.
Das Lösungsmittel wurde im Rotationsverdampfer so weit als möglich entfernt.
Unter Vakuum wurde das restliche Lösungssmittel entfernt und das Produkt
getrocknet.
Das synthetisierte Produkt wurde danach analysiert und überprüft. Es wurde in einem
ersten Schritt auf seine Masse untersucht (Massenspektrometer). Danach wurde
seine Struktur in einem weiteren Schritt auf seine Kernspinresonanz (NMR)
untersucht (1H- und 13C-NMR)2.
Abbildung 2
1,7-Diaminoheptan und 3-Pyridincarboxaldehyd reagieren unter Ausstoss von Wasser zu
(1E,1’E)-N,N‘-(heptan-1,7-diyl)bis(1-(pyridin-3-yl)metanimin)
3.3 Komplexierung
Der zuvor synthetisierte Ligand wurde mit verschiedenen Kupferlösungen3
komplexiert. Dafür wurden je 2ml des in Methanol gelösten (0.25M) Liganden und
sowohl 2ml jeder Kupferlösung als auch 4ml derselben in je 2 verschiedene
Reaganzgläser gegeben.
3.4 Bakterien
Um die Wirksamkeit an lebenden Organismen zu testen wurden Bakterien (E. Choli)
vermehrt. Vom einem bestehenden Stamm wurde eine kleine Menge extrahiert und
im Inkubationsofen bei 37°C über 16 Stunden vermehrt. Danach wurden die
Bakterien auf einem Nährboden ausgestrichen und an einigen Orten mit dem
Metallkomplex versehen.
4 Resultate
4.1 Synthese #1
Der synthetisierte Stoff wurde mit dem Massenspektrometer und NMR untersucht.
Diese Überprüfungen bestätigen die erfolgreiche Synthese.
2
Siehe 4.2 3
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Jannis Portmann
4.2 Synthese #2
Auch der zweite synthetisierte Stoff wurde mit dem Massenspektrometer und NMR
untersucht. Diese Überprüfungen bestätigten ebenfalls eine erfolgreiche Synthese.
4.3 Bakterien
Die E. Coli-Bakterien wurden auf Agarplatten aufgetragen. Danach wurden kleine Mengen
vom Komplex auf die Oberfläche gebracht. Wenn der Komplex keine antibakterielle Wirkung
hat, wachsen die Bakterien normal (trübe Fläche). Wenn der Komplex jedoch antimikrobiell
ist, dann ist ein klarer Kreis um den Komplex zu sehen, die sogenannte Inhibitationszone.
Abbildung 4
Dunkle Stellen zeigen nichtbakterielle Zonen
18: Ligand komplexiert mit CuCl2 (in MeOH und 1:2)
12: Ligand komplexiert mit CuBr2 (in MeOH und 1:2)
Abbildung 3
Dunkle Stellen zeigen nichtbakterielle Zonen
3: Ligand komplexiert mit CuCl2 (1:1)
4: Ligand komplexiert mit CuCl2 (1:2)
5 Diskussion
Die Synthesen wurden erfolgreich durchgeführt und dies wurde wie oben erwähnt
bestätigt. Die Resultate der Bakterienvermehrung sprechen eigentlich für sich. Sie
zeigen die Wirkung von bereits kleinen Mengen metallhaltigen Komplex gegenüber
E. Coli Bakterien auf einem Nährboden. Es ist jedoch noch offen, ob sich diese
Wirkung auch im menschlichen Körper, z.B. auf einer Prothese im selben Rahmen
entfalten könnte oder ob möglicherweise der Stoffwechsel menschlicher Zellen
darurch beeinträchtigt werden könnte. Diese Punkte müssten noch weiter evaluiert
werden um möglicherweise Verwendung auf Oberflächen von Prothesen
Verwendung finden zu können.
4
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13. Februar 2014
Jannis Portmann
6 Danksagung
Ein Dank geht an alle Personen die mich bei dem Prozess dieses Projektes
untestützt haben. Dies sind in erster Linie alle von der Universität Fribourg, speziell
Sonja Kracht und Matthias Messerer, welche mich in dieser Woche aktiv betreut
haben. Einen weiteren Dank möchte ich gegenüber Schweizer Jugend forscht
aussprechen. Dank ihnen ist dieses Projekt überhaupt erst möglich geworden.
7 Literatur- & Quellenverzeichnis
•
•
Sonja Eckhardt, Priscilla S. Brunetto , Jacinthe Gagnon , Magdalena Priebe ,
Bernd Giese und Katharina M. Fromm: Nanobio Silver: Its Interactions with
Peptides and Bacteria, and Its Uses in Medicine, Department of
Chemistry, University of Fribourg
Joseph A. Lemire, Joe J. Harrison und Raymond J. Turner: Antimicrobial
activity of metals: mechanisms, molecular targets and applications, Nature
Reviews Microbiology 11, 371–384 (2013)
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