Chemie: Wenn lange Verkanntes nützlich wird

Der Nachweis der sogenannten nicht-klassischen Carbokationen beendete einen jahrzehntelangen Streit in der Chemie über die Existenz dieser ungewöhnlichen chemischen Verbindungen. Durch ihre Kurzlebigkeit war die Erforschung dieser außergewöhnlichen Kohlenstoffmoleküle mit positiv geladenem Kohlenstoffatom, die über ihren Aufbau so gar nicht mit klassischen Strukturformeln vereinbar sind, lange Zeit eingeschränkt. Eine Gruppe um den dreifach-ERC-Preisträger Nuno Maulide vom Institut für organische Chemie der Universität Wien stellt in der Fachzeitschrift "Angewandte Chemie" nun einen Weg vor, wie über die Synthese nichtklassischer Carbokationen 3-gliedrige Kohlenstoffringe, eine wichtige Stoffklasse für Pharmazeutika, gewonnen werden können.

Die Faszination für geometrische Formen und Muster stellt ein Bindeglied zwischen den Naturwissenschaften und den bildenden Künsten dar. Schon den aperiodischen Parkettierungen, welche bereits spätmittelalterliche persische Schreine prägten und 500 Jahre später unabhängig von Penrose mathematisch beschrieben wurden, fehlten die konventionellen Eigenschaften. Diese aperiodischen Muster wurden aber auch in Kristallen – daraufhin als "Quasi-Kristalle" bezeichnet – beobachtet, deren Existenz jedoch lange vehement angezweifelt wurde und deren Entdeckung erst 2011 mit dem Nobelpreis für Chemie gewürdigt wurde.

Kurzlebig und reaktiv
Den Entdeckern der "nicht-klassischen Carbokationen" erging es nicht besser: Die Mitte des 20. Jahrhunderts in der organischen Chemie beobachteten Reaktionen ließen sich nicht mit klassischen Strukturformeln vereinbaren. Notgedrungen schlugen die Studienautoren symmetrische Strukturen vor, die mit den klassischen Gesetzen der organischen Chemie unvereinbar sind. Es folgte Spott und Hohn von kritischen Kolleg*innen, doch 60 Jahre später gelang der Nachweis der nicht-klassischen Carbokationen mit der Isolierung des Intermediates (Zwischenproduktes) endgültig.
"Diese außergewöhnlichen Strukturen sind leider auch sehr kurzlebig und reaktiv", sagt Nuno Maulide vom Institut für Organische Chemie. Daher habe die Beweisfindung so lange gedauert. Diese Eigenschaften machen Reaktionen, in denen nicht-klassische Kationen vorkommen, zudem auch schwer kontrollierbar. Nicht-klassische Carbokationen als Zwischenprodukte von mehrstufigen Reaktionen waren bisher kaum brauchbar: "In den meisten Studien, in denen diese unkonventionellen Intermediate beobachtet worden sind, zerfielen die nicht-klassische Strukturen zu einer Vielzahl untrennbarer Produkte – ein Alptraum in der Synthesechemie", so Maulide, Österreichs Wissenschafter des Jahres 2018.

Zwischenprodukt erleichtert Synthese
In der aktuellen Studie wurde von den Forschern Bedingungen gefunden, in denen simple chemische Startmaterialien über ein nicht-klassisches Carbokation selektiv (das heißt: als einziger Reaktionsweg) zu 3-gliedringen Ringen, eine wichtige Stoffklasse für Pharmazeutika, umgewandelt werden können.
"Wir hatten anfangs nur eine vage Vermutung, dass sich nicht-klassische Carbokationen bilden könnten", sagt Erstautor Adriano Bauer: "Als wir dann die 3-gliedrigen Ringe isolierten, deuteten die experimentellen Beobachtungen, insbesondere die Isotopenmarkierungen, klar auf ein nicht-klassisches Carbokation als Zwischenprodukt hin." Über diesen speziellen Syntheseweg können nun Produkte zu Stoffgruppen modifiziert werden, die zuvor nur schwer oder über Umwege zugänglich waren. "An das Kation kann eine Vielzahl verschiedenster Anhängsel, also Substituenten, angebracht werden", sagt Koautor und Doktorand Giovanni Di Mauro.

Die Synthese von diesen 3-gliedringen Ringen (Cyclopropane) ist häufig mit dem Einsatz von gefährlichen oder teuren Reagenzien verknüpft. In dieser Studie ersetzen ungiftige und günstige Iod-Oxidantien toxische und umweltschädliche Schwermetalle wie Blei, Silber oder Thallium. "Eine der wichtigsten Bestrebungen der modernen organischen Chemie ist es, ihre Nachhaltigkeit zu verbessern", sagt Gruppenleiter Nuno Maulide.

Publication in "Angewandte Chemie":
An α−cyclopropanation of carbonyl derivatives by oxidative Umpolung. Adriano Bauer, Giovanni Di Mauro, Jing Li und Nuno Maulide, Angewandte Chemie
DOI: 10.1002/anie.202007439R1