Ein Schritt auf die „ideale“ chemische Reaktion zu

Veröffentlicht amAutorgh

Uni Wien: Hocheffiziente Methode zur Herstellung komplexer Alkaloide entwickelt

Chemische Synthese befasst sich mit der Herstellung wertvoller Produkte aus einfachen und zugänglichen Substanzen. Alkaloide, also auf Kohlenstoff und Stickstoff basierende Moleküle, gehören zu einer Gruppe besonders begehrter Produkte, z.B. als Bestandteil von Pharmazeutika. Eine Gruppe um Chemiker Nuno Maulide von der Universität Wien hat eine neue Reaktion entwickelt, die komplexe Alkaloide in nur einem Reaktionsschritt, einer sogenannten Mehrkomponentenreaktion, herstellen kann. Die in Nature Chemistry open access vorgestellte Methode eröffnet damit einen besonders kostengünstigen und schnellen Syntheseweg.

Chemisches Labor © Magnus Manske – Eig. Werk, CC BY 1.0, commons.wikimedia.org

Die Herstellung komplexer Verbindungen aus einfachen Startmaterialien ist in den meisten Fällen ein mehrstufiger und daher kosten- sowie zeitintensiver Prozess. „Hierbei wird zuerst Startmaterial A mit Reagenz B umgesetzt, und das erhaltene Produkt [AB] isoliert und bereinigt. Danach wird es wiederum mit C umgesetzt und so weiter, bis das Endprodukt entsteht“, sagt Erstautor Immo Klose vom Institut für Organische Chemie der Universität Wien. Der Wunsch, die „ideale Synthese“ zu finden, ist so alt wie die Chemie selbst: „Wäre es nicht toll, wenn man mehrere Schritte zusammenfassen könnte, um in einem einzigen Schritt zum hochkomplexen Zielprodukt zu gelangen?“, so Koautor Giovanni di Mauro.

Abstract des Nature-Artikels: „Der rasche Aufbau komplexer Gerüste in einem einzigen Schritt aus einfachen Ausgangsstoffen stellt eine ideale Reaktion im Hinblick auf Effizienz und Nachhaltigkeit dar. Tatsächlich bleibt die direkte Ein-Schritt-Synthese komplexer Alkaloidgerüste ein ungelöstes Problem im Herzen der organischen Chemie, trotz der enormen Fortschritte in dieser Disziplin. Wir stellen hier eine breit angelegte Strategie vor, bei der dynamisch aufgebaute ternäre Komplexe in wertvolle azabicyclische Gerüste umgewandelt werden, die auf dem Konzept der inversen Hydrid-Shuttle-Katalyse basieren. Die ternären Komplexe lassen sich leicht in situ aus drei einfachen Vorläufern aufbauen und ermöglichen eine hochgradig modulare Installation verschiedener Substitutionsmuster. Nach Unterwerfung unter ein einzigartiges duales Katalysatorsystem durchlaufen die transienten Zwischenprodukte einen ungewöhnlichen Hydrid-Shuttle-Prozess, der durch eine Hydridspende eingeleitet wird. Darüber hinaus zeigen wir, dass in Kombination mit asymmetrischer Organokatalyse die Produkt-Alkaloidgerüste in ausgezeichneter optischer Reinheit erhalten werden.“ (nature.com/s41557-022-00991-4)

Verbindung mehrerer Komponenten

Mehrkomponentenreaktionen zielen genau darauf ab. Hierbei werden drei oder mehr Reaktionspartner gleichzeitig miteinander umgesetzt, um ein Produkt zu bilden, das aus allen eingesetzten Komponenten besteht. „Während die erste Mehrkomponentenreaktion, die nach Adolph Strecker benannte Strecker Synthese von Aminosäuren, bereits 1838 entwickelt wurde und viele weitere folgen sollten, blieb es unserer Gruppe vorbehalten, die Komplexität der entstehenden Produkte auf ein neues Niveau zu heben. So ist diese neue Methode eine der ersten, die es ermöglicht, polyzyklische Alkaloide, also solche mit mehreren Ringen, selektiv herzustellen“, so Nuno Maulide, dreifacher ERC-Preisträger und Vorstand des Instituts für Organische Chemie an der Universität Wien.

Die ideale Mehrkomponentenreaktion

Die neu entwickelte Methode hat dabei einen relativ einfachen Ansatz: Die Forscher mischten drei leicht zugängliche Komponenten – ein Amin, ein Aldehyd und ein Alken. Diese bildeten daraufhin einen sogenannten ternären Komplex: ein erstes Zwischenprodukt, das aus den drei Einzelkomponenten besteht. Nach der Zugabe eines geeigneten Katalysators lagerten sich ausgewählte Bindungen um und es entstand das gewünschte Produkt.

Die Möglichkeit, diese komplexen Produkte mit Hilfe von gut verfügbaren Startmaterialien und in nur einem Reaktionsschritt zu synthetisieren, bietet neben der damit einhergehenden Zeitersparnis weitere Vorteile: „Im Vergleich zu mehrstufigen Synthesen benötigen Mehrkomponentenreaktionen geringere Mengen an Reagenzien und, aufgrund der geringeren Anzahl an Schritten, weniger Lösungsmittel und Ressourcen für die Verarbeitung der Produkte. Der ökonomische Faktor einer solchen Entwicklung ist demnach groß – von der Eleganz ganz abgesehen“, so Nuno Maulide.

->Quellen: