Chemiker entwickeln neuen Ansatz zum Einfügen einzelner Kohlenstoff-Atome in Molekülringe

Chemiker um die Professoren Frank Glorius (Universität Münster) und Osvaldo Gutierrez (Texas A&M University, USA) stellen einen neuen Ansatz vor, bei dem ein einzelnes Kohlenstoffatom in das „Kohlenstoff-Skelett“ ringförmiger Verbindungen eingefügt wird, um die Ringgröße anzupassen. Das Verfahren kann beispielsweise für die Herstellung von Wirkstoffen für neue Arzneimittel interessant sein.

Bei der Suche nach Wirkstoffen für neue Arzneimittel spielen Moleküle mit einem zentralen Ringsystem eine wichtige Rolle – und die richtige Größe der Ringe ist von Bedeutung, wenn es darum geht, das gewünschte Produkt möglichst effizient herzustellen. Dafür hat ein internationales Team von Chemikern unter der Leitung der Professoren Frank Glorius (Universität Münster) und Osvaldo Gutierrez (Texas A&M University, USA) nun ein präzises und effizientes Werkzeug entwickelt, das auf „Single Atom Skeletal Editing“ beruht. Ihr neuer Ansatz besteht darin, ein einzelnes Kohlenstoffatom in das „Kohlenstoff-Skelett“ ringförmiger Verbindungen einzufügen. Dadurch kann die Ringgröße zwischen fünf- und sechsgliedrigen Ringen angepasst werden. Das Team stellt die Methode nun in der Fachzeitschrift „Nature Catalysis“ vor.

Die Ergebnisse der Studie, so betonen die Wissenschaftler, eröffnen neue Wege für das Design und die Modifizierung komplexer Molekülstrukturen. Davon könnten Forschung und industrielle Anwendung in der Arzneimittelsynthese und in den Materialwissenschaften profitieren.

Skelett-Editierung (Skeletal Editing) ist ein Verfahren, mit dem Chemiker Atome innerhalb eines Ringsystems austauschen. „Bei früheren Ansätzen lag der Fokus auf dem Einbau von Stickstoffatomen. Im Gegensatz dazu ist der Einbau eines Kohlenstoffatoms in einen reinen Kohlenstoffring eine große Herausforderung“, erläutert Dr. Fu-Peng Wu von der Universität Münster. „Das Kohlenstoff-Reagenz muss mit verschiedenen funktionellen Gruppen, die die chemischen Eigenschaften des Moleküls bestimmen, kompatibel sein. Die Verbindung soll zudem stabil, einfach zu handhaben und unkompliziert zu aktivieren sein.“ In den vergangenen Jahrzehnten wurde nur eine geringe Anzahl solcher Reagenzien entwickelt.

Die Gruppe um Frank Glorius nutzte die sogenannte Photoredox-Katalyse, um die Reaktion mithilfe von Lichtenergie anzutreiben. Mithilfe spezieller reaktionsfreudiger Kohlenstoff-Fragmente (radikalische Carbine) fügten die Forscher einzelne Kohlenstoffatome mit verschiedenen funktionellen Gruppen in Inden ein. Inden ist ein häufig genutzter Ausgangsstoff zur Herstellung organischer Verbindungen, ebenso das Produkt Naphthalin.

Osvaldo Gutierrez und seine Gruppe führten mechanistische Berechnungen durch, um den zugrundeliegenden Reaktionsmechanismus der Radikalkette aufzudecken. „Unsere Berechnungen mit der Dichtefunktionaltheorie legen nahe, dass die Reaktion über eine anfängliche Addition eines Diazomethylradikals an Inden abläuft“, betont Postdoktorand Dr. Remy Lalisse.

Förderung

Die münsterschen Forscher erhielten finanzielle Unterstützung von der Deutschen Forschungsgemeinschaft (Leibniz-Preis) und der „Alexander von Humboldt-Stiftung“. Die Berechnungen mit der Dichtefunktionaltheorie (DFT) wurden von den National Institutes of Health, der Camille and Henry Dreyfus Foundation und der Welch Foundation unterstützt.

Wissenschaftliche Ansprechpartner:

Prof. Dr. Frank Glorius
Organisch-Chemisches Institut
Universität Münster

E-Mail: glorius@uni-muenster.de

Originalpublikation:

Fu-Peng Wu, Chetan C. Chintawar, Remy Lalisse, Poulami Mukherjee, Subhabrata Dutta, Jasper Tyler, Constantin G. Daniliuc, Osvaldo Gutierrez, and Frank Glorius (2024): Ring expansion of indene by photoredox-enabled functionalized carbon-atom insertion. Nature Catalysis; DOI: https://doi.org/10.1038/s41929-023-01089-x

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