3D-Moleküle durch „Domino-Kaskade“
Forschungsteam entwickelt lichtgetriebene Tripel-Katalyse
Ein Team um den Chemiker Prof. Dr. Frank Glorius vom Organisch-Chemischen Institut der Universität Münster hat eine neue lichtgetriebene Reaktionssequenz entwickelt. Wie drei Dominosteine in einer Reihe, die nacheinander kippen, löst bei dieser Tripel-Katalyse ein Reaktionsschritt den nächsten aus. Die molekularen Umwandlungen erfolgen nacheinander in einem einzigen Reaktionsgefäß. Eine solche sogenannte Ein-Topf-Synthese gilt als ideales Verfahren, weil sie besonders ressourcen- und energiesparend ist. Zentral für das Gelingen der aktuellen Arbeit ist ein Photokatalysator: ein Molekül, das sichtbares Licht absorbiert und die Energie auf jeder Stufe der Sequenz an die reaktiven Moleküle überträgt. Mit diesem Verfahren wandelten die Chemikerinnen und Chemiker bicyclische Azaarene, eine Klasse von stickstoffhaltigen aromatischen Kohlenstoffringen, in komplexe dreidimensionale molekulare Strukturen um, die häufig in pharmazeutischen Wirkstoffen vorkommen. Die Arbeit ist in der Fachzeitschrift „Nature Catalysis“ veröffentlicht.
Der erste Schritt des neuen Verfahrens beginnt mit einer zuvor unbekannten Reaktion, bei der sich zwei Moleküle (bicyclische Azaarene und Vinylcyclopropane) verbinden, um ein großes neungliedriges Ringgerüst zu bilden. Im zweiten Schritt verändern die Atome innerhalb des Moleküls ihre Verbindungen und wandeln es in eine andere Form um („sigmatrope Umlagerung“). Diese Umlagerung, die normalerweise hohe Temperaturen erfordert, erfolgte dank der Photokatalyse bei Raumtemperatur unter milden Bedingungen. Im dritten und letzten Schritt löst Licht eine weitere Ringbildung innerhalb desselben Moleküls aus und fixiert es so in seiner dreidimensionalen Struktur. Das Team führte detaillierte mechanistische Analysen und computergestützte Berechnungen durch, um den Reaktionsweg nachzuvollziehen.
„Das Konzept der Dreifachkatalyse erweitert das chemische Werkzeugset, indem es ein neues Reaktionsprotokoll zur Herstellung komplexer Strukturen einführt. Bislang waren dafür ‚harte‘ Reaktionsbedingungen erforderlich“, betont Doktorandin Preeti Chahar. Die Dreifachkatalyse vereinfache zudem die Molekülsynthese erheblich, da nur ein Reaktionsgefäß und ein Photokatalysator benötigt werden. Wie das Team anhand verschiedener Ausgangsmoleküle zeigen konnte, hat die Methode das Potenzial für eine breite Anwendbarkeit.
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