Von der Natur inspiriert: Synthese eines wichtigen Molekülrings im Labor gelungen

Dreigliedrige, ringförmige Kohlenwasserstoffe (Cyclopropane) sind wichtige strukturelle Untereinheiten in vielen Arzneimitteln und Materialien. Ihre Herstellung im Labor ist herausfordernd und in der Regel mit der Entstehung von verschiedenen Abfallprodukten verbunden. Die Forschungsgruppe rund um Nuno Maulide, Chemiker an der Fakultät für Chemie der Universität Wien, hat nun ein neues, von der Natur inspiriertes Verfahren zur nachhaltigen Herstellung von Cyclopropanen entwickelt und in der renommierten Zeitschrift JACS (Journal of the American Chemical Society) vorgestellt.

Von der Natur lernen

Chemiker*innen bringen zur Herstellung von Cyclopropanen üblicherweise zwei funktionelle Gruppen (Abgangsgruppe und stabilisierende Gruppe) an zwei Kohlenstoffatomen des Ausgangsmoleküls an, was in Folge zur Entstehung von Abfallprodukten führt. "Die Natur", so Studien-Erstautor Philipp Grant, "verfolgt allerdings einen weitaus effizienteren Ansatz, bei dem nur ein Kohlenstoffatom funktionalisiert werden muss und so weniger Abfallprodukte anfallen." Um die "Methode der Natur" erfolgreich nachzuahmen, tüftelte das Team um Nuno Maulide an einem neuen Verfahren, das organische Synthese, Biochemie und Berechnungsstudien integrierte – und schaffte damit einen entscheidenden Durchbruch. 

Zwischenprodukt als Schlüssel zur erfolgreichen Synthese

Leistungsstarke Werkzeuge der computergestützten Chemie erlaubten es, Reaktionsmechanismus, Quantenzustände und die einzelnen Schritte neuer chemischer Reaktionen vollständig zu verstehen. "Erst die moderne Quantenchemie ermöglicht es uns, Strukturen und Energien von Reaktionszwischenstufen und Übergangszuständen zu beschreiben, was aufgrund der sehr kurzen Lebensdauer solcher Produkte experimentell nicht möglich wäre", erklärt Nuno Maulide. Die Berechnungen ergaben, dass die Bildung eines Zwischenprodukts, welches ein sogenanntes "protoniertes Cyclopropan" enthält, der Schlüssel für das Zustandekommen der Cyclopropanierungsreaktion ist – eine Tatsache, die vor Einsatz der Computersimulation nahezu unvorstellbar schien. 

Synthese durch Synergien

Möglich wurde die erfolgreiche Herstellung von Cyclopropanen nach dem Vorbild der Natur mit vereinten Kräften:  Chemiker aus drei verschiedenen Instituten der Universität Wien (Institute für Organische, Theoretische und Biologische Chemie), darunter Studierende der neuen Doktoratsschule für Chemie (DoSChem) arbeiteten hierfür Seite an Seite. Diese Arbeit dient als Ausgangspunkt für viele weitere Möglichkeiten der Synthese und ist ein Beispiel dafür, wie multidisziplinäre Ansätze helfen können, chemische Reaktionen zu verstehen und im Sinne der Nachhaltigkeit zu verbessern.

Publikation im Journal of the American Chemical Society:

Biomimetic Cationic Cyclopropanation Enables an Efficient Chemoenzymatic Synthesis of 6,8-Cycloeudesmanes. Phillip S. Grant, Ricardo Meyrelles, Oliver Gajsek, Gerhard Niederacher, Boris Maryasin, and Nuno Maulide. Journal of the American Chemical Society, 2023.

DOI: 10.1021/jacs.2c13116

Abbildungen:

Abb. 1: Symbolbild zur Verbindung dreier Methoden, die die Synthese von Cyclopropan nachhaltiger gestalten: Synthetische Chemie, Computersimulation und Vorbild aus der Biologie. © Maulide Group

Abb. 2: Schema zur Herstellung von Cyclopropan. In der traditionellen Chemie fallen sowohl Stabilisierungsgruppe als auch Abgangsgruppe als Abfallprodukte an, in der biologischen Synthese gibt es allerdings keine Stabiliserungsgruppe. Wenn wir die Natur imitieren, können wir die synthetische Chemie nachhaltiger gestalten. © Maulide Group

Die Abbildungen wurden mit BioRender.com erstellt.