Der "Herr der Ringe" der Chemie

Das Molekül Cyclopropan wurde früher im Gemisch mit Sauerstoff als Narkosemittel verwendet. Ein internationales ForscherInnenteam rund um Nuno Maulide vom Institut für Organische Chemie der Universität Wien hat nun eine neue Art von Cyclopropanen entdeckt, die wesentlich vielseitiger und daher auch interessanter als Ausgangsbasis für die Entwicklung von Medikamenten und Agrochemikalien ist: Maulide gelang es, aus der ursprünglichen dreigliedrigen Ringstruktur des Moleküls eine Fünfringstruktur zu machen. Die Ergebnisse erscheinen aktuell im renommierten Fachmagazin Angewandte Chemie.

Die für unser Leben verantwortlichen Moleküle bestehen hauptsächlich aus in unterschiedlichster Weise verknüpften Kohlenstoff- und Wasserstoffatomen. Kohlenstoff-Kohlenstoffbindungen sind das "Rückgrat" dieser Verbindungen, die überall in unserem Alltag vorkommen, unter anderem in Öl, Medikamenten und anderen Materialien. Diese Verbindungen können sich in unterschiedlich langen Ketten, aber auch in einer Ringstruktur anordnen. Während viele dieser Ringe relativ komplex und groß sein können, besteht der kleinste von ihnen aus einer Verknüpfung von lediglich drei Kohlenstoffatomen. Die daraus resultierenden Moleküle ähneln der geometrischen Form einem Triangel und werden Cyclopropane genannt.

Ein spannendes Molekül
Cyclopropane sind die kleinstmöglichen cyclischen organischen Moleküle. Die Winkel zwischen den Bindungen im Cyclopropan sind, wie beim Triangel, um die 60 Grad. Im Gegensatz dazu bevorzugen die meisten Kohlenstoff-Kohlenstoffbindungen Winkel um die 109 Grad. "In unseren Grundvorlesungen fragen wir die Studierenden üblicherweise, was passiert, wenn man diese Bindungen in einen kleineren Winkel 'zwingt', als sie üblicherweise bevorzugen", erklärt Nuno Maulide vom Institut für Organische Chemie der Universität Wien. Dabei entsteht eine sogenannte "Ringspannung", ein Phänomen, das für die bemerkenswerte Reaktivität von Cyclopropanen verantwortlich ist. "Sie sind zwar reaktive Moleküle, können aber dennoch im Labor isoliert und gehandhabt werden. Sie warten sozusagen nur auf die richtige Gelegenheit um aufzuspringen", scherzt Maulide.

Ringspannung nutzen
Die Arbeitsgruppe um den portugiesischen Chemiker möchte sich die einzigartigen chemischen Eigenschaften dieser Moleküle zunutze machen. "Cyclopropane könnten als sehr gute Bausteine für hochwertige Produkte eingesetzt werden. Wir sind besonders an der Familie der 'push-pull'-Cyclopropane interessiert", erklärt Maulide. Diese Moleküle besitzen zwei – direkt an den dreigliedrigen Ring gebundene – Reste, auch Substituenten genannt. Der eine Substituent schiebt Elektronendichte in den Ring, der andere zieht Elektronendichte aus dem Ring heraus. Dies ermöglicht die Ringöffnung bereits bei niedrigen Temperaturen und unter milden Bedingungen. "Stellen Sie sich ein Triangel vor, an welchem wir ziehen und drücken. Genau das geschieht auch auf molekularer Ebene durch die Substituenten", betont der Forscher.

Genau den richtigen Zug finden
Bislang versuchten ChemikerInnen, die Eigenschaften der schiebenden und ziehenden Elemente zu verändern. "Bis jetzt wurden meistens zwei Estergruppen, eine sehr stark ziehende funktionelle Gruppe, benutzt, da die Ringöffnung ohne einen beträchtlichen Elektronenzug nicht gut funktioniert", so Maulide. "Der Nachteil dabei ist, dass die so entstandenen Produkte nicht sehr nützlich für weitere Anwendungen sind.“

"Wir haben ein neues ziehendes Element eingeführt, das es nicht nur ermöglicht, die Reaktion unter noch milderen Bedingungen durchzuführen, sondern die Endprodukte auch vielseitiger und somit ideal für weitere Anwendungen für Pharmazeutika macht", betont Maulide, der vor kurzem einen mit knapp zwei Millionen Euro dotierten ERC Consolidator Grant für die Entwicklung von neuen Reaktionen erhalten hat.

Aus drei mach fünf
"Die Produkte dieser Reaktionen sind fünfgliedrige Ringe. Man kann Chemie also benutzen, um aus drei fünf zu machen", beschreibt Maulide. Die resultierenden fünfgliedrigen Ringe, auch Tetrahydrofurane genannt, sind die Kernstrukturen verschiedenster biologisch aktiver Substanzen, wodurch sich diese Verbindungen sehr gut für die Anwendung als Pharmazeutika und Agrochemikalien anbieten. Beeindruckend ist vor allem die chemische Reaktivität der Verbindung. "Wir haben ein neues Konzept in diesem Bereich der Chemie eingeführt, für das man noch nicht absehen kann, welche spannenden Anwendungen daraus entstehen", so der Chemiker abschließend.

Publikation in "Angewandte Chemie"
"Temporary Generation of a Cyclopropyl Oxocarbenium Ion Enables a Highly Diastereoselective Donor-Acceptor Cyclopropane Cycloaddition": Juliette Sabbatani and Nuno Maulide, in: Angewandte Chemie 2016.
DOI: 10.1002/anie201601340