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Künstliche Intelligenz und maschinelles Lernen waren lange Zeit ein belächeltes Forschungsfeld auf dem über Jahrzehnte so recht nichts vorangehen wollte. Durchbrüche in kleinen Bereichen stießen meist schnell auf neue Grenzen und es war nicht absehbar, wie sich das Segment weiterentwickeln würde. Doch in den letzten Jahren stieß das Deep Learning durch verbesserte Algorithmen und schnelle Grafikkarten-Hardware die Tür weit auf für neue Anwendungen. Binnen weniger Jahre wurden bis dahin knifflige Dinge wie Sprach- und Bilderkennung zu in jedem Smartphone verbauter Mainstream-Technologie. Doch ist auch dieses Feld noch weitgehend unbestellt und die sich schnell verändernden Werkzeuge bieten Programmierern eine weit reichende und in ihrer Anwendungsbreite noch gar nicht abgesteckte Perspektive. Für Kolophon sprechen wir mit dem Programmierer Oliver Zeigermann, der sich schon seit längerem mit diesen Technologien und Entwicklungsprinzipien beschäftigt und gemeinsam mit Chi Nhan Nguyen für O'Reilly das Buch "Machine Learning kurz & gut" (und mit 184 Seiten gar nicht so kurz) geschrieben hat. Wir sprechen darüber, was Machine Learning ist – und was nicht –, wie man aus Daten lernt und seinen Entwicklungsansatz ausrichten sollte sowie welche Auswirkungen Machine Learning auf Technik und Gesellschaft haben kann.

Im Rahmen der Dissertation „Funktionalisierte Grignard-Reagenzien und ihre Anwendung in Aminierungsreaktionen wurden insbesondere nitrofunktionalisierte Aromaten und Ihre Reaktionen mit Magnesiumorganylen untersucht. Im ersten Teil der Dissertation wurde die Kompatibilität der Nitrofunktionalität mit Grignard-Reagenzien untersucht, und es gelang die erstmalige Synthese von nitrofunktionalisierten Arylmagnesiumhalogeniden durch eine Iod/Magnesium Austauschreaktion. Die anfängliche Limitierung auf ortho-Iodnitroaromaten konnte durch Wahl geeigneter komplexierender Gruppen überwunden werden und ermöglichte die Synthese von meta- und para-funktionalisierten Nitroarylmagnesiumhalogeniden. Des weiteren konnten diese neuen Grignard-Reagenzien auch in übergangsmetallkatalysierten Kreuz-Kupplungs-Reaktion erfolgreich eingesetzt werden. Im zweiten Teil der Dissertation wurden neue Aminierungsreaktionen untersucht, die ausgehend von elektrophilen Stickstoffverbindungen zu Diarylaminen führen sollten. Es gelang die Synthese von funktionalisierten Diarylaminen durch die Reaktion von Nitroaromaten und aromatischen Grignard-Reagenzien. Diese Methode stellt eine hervorragende Alternative zu den übergangsmetallkatalysierten Aminierungsreaktionen dar, und ist auf Grund der Kompatibilität mit Halogenen (Cl, Br, I) und Triflaten als komplementärer Zugang äußerst interessant. Diese neue Aminierungsmethode wurde ausgiebig beforscht, und es gelang die Anwendungsbreite in der selektiven Monoaminierung von Dinitroaromaten, sowie in der Synthese mehrerer heterozyklischer Arylamine zu demonstrieren. Es konnte auch gezeigt werden, dass eine Ausweitung dieser Methodik auf Nitrosoaromaten möglich ist. Basierend auf diesen Ergebnissen wurde eine weitere Aminierungsreaktion entwickelt. Ausgehend von Arylazosulfonen ist es nun möglich, Nukleophile jeder Art zu addieren und nach anschließender reduktiver Spaltung des Hydrazin-Derivates die entsprechenden Amine zu isolieren. Diese Methode zeichnet sich durch ein erheblich erweitertes Anwendungspotential aus und ist nicht nur auf aromatische Magnesium-Organyle beschränkt. Bemerkenswerterweise zeigt diese Methode bisher keinerlei Einschränkungen gegenüber sterischer Hinderung. Auch hier konnten exzellente Selektivitäten erzielt werden bei einer enormen Bandbreite an funktionellen Gruppen. Abschliessend wurden 1,2-Dehydroaromaten und Ihre Anwendung in Aminierungsreaktionen untersucht.

Das aus der intensiven Untersuchung von Struktur-Wirkungsbeziehungen resultierende, zunehmende Verständnis für hochkomplexe Prozesse, wie beispielsweise der molekularen Erkennung, bestätigt die wichtige Rolle von Konformation und Struktur für die biologische Aktivität natürlicher und synthetischer Wirkstoffe und bildet die Basis für die gezielte Entwicklung neuer Medikamente (rational drug design). Die Einführung verschiedenster konformativer Einschränkungen ist dabei ein wesentlicher Schritt für die Aufklärung der bioaktiven Struktur eines rezeptorgebundenen Substrats und von entscheidender Bedeutung für die Erschließung neuer Arzneistoffe und Peptidomimetika. Hochfunktionalisierte Peptidgerüste, wie sie mit Hilfe der "Acylimin"-Chemie zugänglich sind, bieten neue Ansätze zur lokalen und globalen Restriktion von Peptidderivaten. Im Mittelpunkt der Arbeit stehen neue Methoden zur Einführung konformativer Fixierungen in Peptidderivaten auf Basis olefinisch verknüpfter Aminosäure- und Peptiddimere. · Synthese und Struktur olefinischer Aminosäure- und Peptiddimere Als a,b-ungesättigte Aminosäure mit tetrasubstituierter Doppelbindung vereint die Verbindungsklasse der olefinisch verknüpften Aminosäure- und Peptiddimere 30-Z und 30-E in sich neben den Strukturelementen der Malein- und Fumarsäure auch strukturelle Merkmale anderer C-C-verbrückter Peptide. Die unter milden Bedingungen verlaufende Synthese erlaubt gleichermaßen sowohl die direkte Verknüpfung zweier identischer Peptidketten zu symmetrischen Derivaten, als auch die Darstellung heteromerer Verbindungen.1 Grundlegende Arbeiten dienen zunächst der Klärung der Stereochemie der Dimerisierungsprodukte und der Abhängigkeit der Stereoselektivität der Reaktion von der Verknüpfungsposition. Die folgende, detaillierte Untersuchung der strukturellen Besonderheiten dieser hochsubstituierten Olefine mit Hilfe von ein- und zweidimensionalen, temperaturabhängigen Hochfeld-NMR-Messungen, verschiedenen 13C-Markierungsexperimenten, zahlreichen Röntgenstrukturen sowie chemischen Modifikationen bildet die Basis für die Entwicklung neuer Möglichkeiten zur Anwendung dieses Strukturmotivs für konformativ fixierte Peptidderivate. · Ausweitung des synthetischen Konzepts und Ketodimere Die Vielseitigkeit des Dimerisierungskonzeptes konnte unter anderem anhand der erfolgreichen Synthese dimerer Aminoketone 120, Cyanodimere 71 oder doppelbindungsverbrückter Diketopiperazine 68 gezeigt werden (siehe S.5). Die für diese neuen Derivate nötige Konfigurationsanalyse der zentralen Doppelbindung erfolgt mit Hilfe chemischer Methoden oder auf Basis von Einkristallröntgenstrukturanalysen. Der zweite Teil dieser Arbeit befaßt sich mit verschiedenden Ansätzen zur Einführung konformativer Einschränkungen, die einerseits temporären Charakter besitzen können oder sich andererseits in Form von hochfunktionalisierten, cyclischen Produkten kovalent fixieren lassen: · Alkylierung Der dirigierende Einfluß der zentralen Doppelbindung auf die benachbarten Gruppen kann zur regioselektiven Alkylierung der Enamidfunktionen genutzt werden; dadurch gelingt eine gezielte Festlegung des Wasserstoffbrücken-Bindungsmusters der Dimere. Durch Alkylierung mit weiterfunktionalisierbaren Halogeniden entstehen neue Edukte (z. B. 306), die sich für spätere fixierende Cyclisierungen, wie beispielsweise durch Ringschlußmetathese, eignen. · Basische Cyclisierungen Peptid- und Ketodimere 302 lassen sich bei Behandlung mit Basen in Abhängigkeit von der Struktur und Stereochemie der Edukte durch intramolekulare Cyclisierung zu Hydantoinen 304 und 1 Die im Rahmen dieser Arbeit verwendete Kurzschreibweise für Aminosäure- und Peptiddimere orientiert sich an den in der Peptidnomenklatur üblichen Positionsangaben und kann im Detail dem Abkürzungsverzeichnis (Kapitel 13.1; S.343) entnommen werden. Maleinimiden 305, sowie Diaminocyclopentenonen 303 und 307 umsetzen. Die Graphik faßt die verschiedenen Angriffspunkte für Basen und die daraus resultierenden Hauptprodukte zusammen. Die konformative Fixierung durch diese Cyclisierungen führt zu neuen Templatstrukturen, deren Wasserstoffbrücken-Muster (z. B. Diaminocyclopentenon 303) große Ähnlichkeiten zu bekannten Schleifenmotiven aufweist. · Dimere als funktionelle Bausteine Die Möglichkeit zur Platzierung einer Vielzahl von Funktionalitäten und die unter üblichen Bedingungen hohe chemische Stabilität der Peptiddimere macht die Verbindungen zu vielversprechenden, chiralen Bausteinen für die Synthese höhermolekularer Strukturen. Die Darstellung verschiedender Dendrimere erster Generation, wie z. B. Z, E, Z-191, soll die große Variationsbreite möglicher Dimeren-basierender Dendrimere verdeutlichen. · · Olefin-Metathese Allylgruppen enthaltende Dimere können unter Ausnutzung der räumlichen Vororganisation durch die zentrale Doppelbindung in guten Ausbeuten mittels Ringschlußolefin-Metathese in entsprechende Diazocin- oder Dioxecin-Derivate 209 und 208 überführt werden. Auch hier führt die kovalente Fixierung der Verbindungen zu einer charakteristischen Anordnung der Peptidketten und induziert im Fall der Dioxecin-Derivate die Ausbildung einer g-turn-artigen Struktur. In Kombination mit basischen Cyclisierungen können auch interessante bicyclische Gerüste 227 und 246 dargestellt werden. Die milden Bedingungen der Metathese-Reaktion erlauben zudem ihren Einsatz für die chemische Konfigurationsbestimmung; diese Methode konnte unter anderem zur Ermittlung der Stereochemie der beiden Cyanodimere 71-Z und 71-E herangezogen werden. · Kronenether-Makrolide als potentielle Ionenkanäle Die auf zwei Wegen mögliche Synthese des Cyclodocosadiens Z,Z-237 unterstreicht eindrucksvoll die große Anwendungsbreite des Dimerisierungskonzepts. Das kronenetherartige Molekül Z,Z-237, das im Test Ansätze zur Ionenkanal-Bildung zeigt, wird durch doppelte Dimerisierung bifunktioneller Derivate erhalten. Erstmals gelingt in diesem Zusammenhang auch der Einsatz der Dimerisierungsreaktion zur direkten intramolekularen Cyclisierung (vgl. Derivat 244).2 · Hydrierung - Synthese eines orthogonal geschützten Diaminobernsteinsäure- Bausteins Mit Hilfe einer homogenen Rhodium-katalysierten Hydrierungsreaktion können je nach Konfiguration der Doppelbindung des dimeren Edukts stereospezifisch die syn-Form 309-syn oder das anti-Derivat 309-anti der Diaminobernsteinsäure in sehr guten Ausbeuten erhalten werden. Der Einsatz orthogonaler Schutzgruppen ermöglicht einen schnellen Zugang zu vielseitigen, diastereomeren Diaminobernsteinsäure-Bausteinen, die in Analogie zu bekannten Diaminodicarbonsäuren wie Cystin zur Verknüpfung von Peptidketten und damit zur Einführung lokaler Restriktionen genutzt werden können. Das folgende Schema gibt einen Überblick über einen Teil der in der Arbeit synthetisierten, oben angesprochenen Strukturen. 2 Im Rahmen dieser Untersuchungen wird als mildere Alternative zum üblichen Sulfurylchlorid-Abbau der Einsatz von Ethlysulfenylchlorid für die entsprechende Überführung von (a-Ethylthio)glycinen in die reaktiven a-Chlorglycylderivate etabiliert.