Wie aus dem Baukasten: Grüne Synthese wichtiger Moleküle entdeckt

Die Entwicklung neuartiger Methoden für die Synthese organischer Moleküle gehört zum Hauptforschungsgebiet von Nuno Maulide und seiner Arbeitsgruppe an der Fakultät für Chemie der Universität Wien. Dabei wurde nun eine umweltfreundliche Alternative zu konventionellen Synthesemethoden entdeckt, welche unter anderem die Synthese von einem Tuberkulose-Antibiotikum ermöglicht. Die Ergebnisse dazu erscheinen aktuell in der renommierten Fachzeitschrift "Angewandte Chemie".

Der Herbst ist die Zeit der Ernte und bringt eine große Auswahl an frischen Äpfeln, Birnen und Kürbissen auf die Märkte. Andererseits ist der Herbst auch die Zeit von Erkältungen und grippalen Infekten. Doch was haben diese zwei Dinge miteinander gemein? Auf beiden Gebieten wurde in den letzten 200 Jahren durch Entwicklungen in der organischen Chemie entscheidende Verbesserungen erzielt:  Volle Obst- und Gemüseregale sind u.a. das Ergebnis von Entwicklungen im Bereich der Pflanzenschutzmittel. Auch Erkältungen können dank des chemischen Fortschritts mit Nasenspray und Co angenehmer durchlebt werden.

Bei der Herstellung von Pflanzenschutzmitteln und Pharmazeutika aber auch von Vitaminen spielen bestimmte Strukturen, sogenannte Alkene oder Olefine, also Kohlenstoff-Kohlenstoff Doppelbindungen (C=C), eine entscheidende Rolle. Diese Strukturen werden mithilfe der Wittig-Reaktion hergestellt. Allerdings fallen bei dieser und verwandten Reaktionen große Mengen an chemischen Abfällen an, welche diese Synthesemethode nicht nur ökonomisch, sondern auch ökologisch unattraktiv macht. "Wir werden häufig von unseren Partnern in der Industrie darauf hingewiesen, dass Alternativen benötigt werden, auch der Umwelt zuliebe", so Nuno Maulide, Professor für Organische Synthese am Institut für Organische Chemie der Fakultät für Chemie an der Universität Wien.

Eine grüne Alternative

Nuno Maulide und MitarbeiterInnen des Instituts für Organische Chemie haben nun eine neue Syntheseroute für diese Moleküle entwickelt. Dafür werden zwei sogennante "Carbenvorstufen", also Kohlenstoffbausteine mit nur zwei statt der üblichen vier Bindungen, formal zu einer Kohlenstoff-Kohlenstoff Doppelbildung (abgekürzt C=C) gekoppelt. Hierfür wird ein Ruthenium-Katalysator verwendet. Dabei fällt nur harmloses Stickstoffgas sowie ungiftiges und umweltfreundliches, Dimethylsulfoxid (DMSO) als Nebenprodukt an. DMSO wird in der Industrie vielseitig verwendet oder kann auch wieder in das Ausgangsmaterial überführt werden. "Das Resultat unserer Forschungsarbeit hat das Potenzial unseren ökologischen Fußabdruck zu mindern", erklärt Adriano Bauer, Doktorand und Co-Autor der Studie.

Potenzial für Pharmazeutika
Erstaunlich ist dabei die hohe Selektivität der Kupplung, denn ein häufiges Problem ist, dass diese zwei Kohlenstoffbausteine auch mit sich selbst kombinieren und somit alle drei möglichen Kupplungsprodukte in einem statistischen Verhältnis hervorbringen (Siehe Abbildung). „Die Kohlenstoffbausteine kann man mit Spielzeugsteinen vergleichen“, erklärt Maulide. „Zwei unterschiedliche Bausteine – A und B – werden ohne externen Einfluss miteinander kombinieren. Daraus können theoretisch drei verschiedene Bauwerke (AA, BB und AB/BA) entstehen. So wäre es auch in unserer Reaktion – aber wir haben entdeckt, dass das Reaktionsergebnis, durch einen bestimmten Katalysator auf nur ein Produkt eingeschränkt werden kann." Auch James Neuhaus, PostDoc und Co-Autor der Studie zeigt sich erfreut, dass die Reaktion mit Ruthenium so gut funktioniert: "Das Metall ist relativ kostengünstig und bietet großes Potenzial."

Das Team konnte bereits zeigen, dass ein Molekül, welches ein effektives Antibiotikum gegen den Tuberkulose Errerger ist, durch eine sehr kurze Synthese hergestellt werden kann. "Ob weitere gesellschaftlich relevante Moleküle mit dieser Methode hergestellt werden können, wird sich zeigen. Wir wollen mit unserer Grundlagenforschung vor allem neue Impulse setzen und Weichen für eine umweltfreundliche Zukunft legen", so Maulide abschließend. 

Publikation in "Angewandte Chemie"
"A Catalytic Cross‐Olefination of Diazocompounds with Sulfoxonium Ylides”: James Neuhaus, Adriano Bauer, Alexandre Pinto und Nuno Maulide
In Angewandte Chemie International Edition
DOI: 10.1002/anie.201809934

"Eine katalytische Kreuz-Olefinierung von Diazoverbindungen mit Sulfoxonium-Yliden"
In Angewandte Chemie
DOI: 10.1002/ange.201809934