Chemie: Aus Minus mach Plus

Die Arbeitsgruppe um den Chemiker Nuno Maulide von der Universität Wien hat eine neue Methode der Bindungsknüpfung zwischen zwei Kohlenstoffatomen entwickelt. Dabei wird die natürliche Polarität der reagierenden Gruppe durch simples Reaktionsdesign umgekehrt und macht somit den Weg frei für völlig neue Reaktionen. Darüber hinaus konnten die Forscher zeigen, dass sich durch diese Innovation bekannte Synthesewege bedeutend verkürzen lassen. Die Ergebnisse erscheinen aktuell im renommierten Fachmagazin "Angewandte Chemie".

Viele der wichtigsten chemischen Reaktionen, inklusive jener in unserem Körper, lassen sich auf simple Regeln der Polarität zurückführen. Analog zu unterschiedlich geladenen Alltagsgegenständen wie Magneten haben auch geladene Atome und Moleküle Anziehungskräfte untereinander. Diese Interaktionen stehen im Zentrum der organischen Chemie, jener Disziplin, die seit etwa 200 Jahren viele Moleküle unseres täglichen Lebens herstellt und entwickelt – seien es Pharmazeutika, Kosmetika, Solarzellen oder Konservierungsstoffe.

Alles hat intrinsische Polarität…
Chemische Verbindungen haben sogenannte intrinsische Polarität. Positiv geladene Gruppen werden als "Elektrophile" bezeichnet (da sie negativ geladene Elektronen anziehen), während negativ geladene Gruppen "Nucleophile" genannt werden (da sie den Nucleus, den in der Atomtheorie positiv geladenen Kern, anziehen).

… aber man kann sie auch umkehren!
Ein spezieller Ansatz in der Chemie ist die Umkehrung der intrinsischen Polarität eines Moleküls oder Atoms. Dieses Konzept wurde in den 1960er Jahre vom deutschen Chemiker Dieter Seebach entworfen und entwickelt – und in weiterer Folge unter dem Namen "Umpolung" weitläufig bekannt und eingesetzt. "Was wir jetzt erreicht haben ist eine neue Art der Umpolung, so wie sie bisher nicht möglich war", sagt Daniel Kaiser, Doktorand an der Fakultät für Chemie und Erstautor der Studie: "Es ist uns unter einfachen und reproduzierbaren Bedingungen gelungen, einen Teil eines Moleküls, der normalerweise nucleophil ist, in ein Elektrophil zu verwandeln", so Kaiser. "Das ermöglicht uns die Entwicklung einer breiten Palette neuer chemischer Reaktionen. Und: Diese Polaritätsumkehr eröffnet neue Synthesewege und Ansätze beim Planen einer synthetischen Sequenz", erklärt Maulide weiter.

ChemikerInnen planen mehrstufige Synthesen neuer oder bekannter Moleküle auf Basis bekannter Reaktionen und Reaktivitätsmuster – durch neue, unkonventionell polarisierte Bausteine kann ein Paradigmenwechsel eingeleitet werden, der völlig neue Ansätze und Ideen zulässt. Ein solcher neuer Ansatz zur Kohlenstoff-Kohlenstoff-Bindungsbildung ist der Maulide-Gruppe in der vorliegenden Arbeit gelungen.

Unkonventionelle Forschung
"Diese neue Reaktion wirkt auf den ersten Blick unkonventionell. Aber unsere Forschungsgruppe hat schon einige Erfahrung mit ungewöhnlichen Reaktionen – demnach passt es ins Gesamtbild, dass wir nun eine weitere 'eigenartige', aber potenziell sehr nützliche Transformation gefunden haben", sagt Maulide: "Darin liegt der Wert der Grundlagenforschung: Wir stellen unkonventionelle Fragen, unabhängig etwaiger praktischer Anwendungen".

Im Fall von McN-5652 konnten Maulide und sein Team einen hochpotenten bioaktiven Stoff mit Anwendungen im Neuroimaging einfach und schnell herstellen. "Wer weiß, welche Fortschritte diese Entdeckung vielleicht noch bringt", so der portugiesische Chemiker.

Publikation in "Angewandte Chemie"
"Metallfreie formale oxidative C-C-Kupplung durch In-situ-Erzeugung einer elektrophilen Enoloniumspezies"
Daniel Kaiser, Aurélien de la Torre, Saad Shaaban and Nuno Maulide,
in: Angewandte Chemie, 2017.
DOI: doi/10.1002/anie.201701538
http://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/ange.201701538/abstract