Synthesewunder Cyclopropan

Berlin -

Das Molekül Cyclopropan wurde früher im Gemisch mit Sauerstoff als Narkosemittel verwendet. Ein Forscherteam um Dr. Nuno Maulide vom Institut für Organische Chemie der Universität Wien hat nun eine neue Art von Cyclopropanen entdeckt, die wesentlich vielseitiger als Ausgangsbasis für die Entwicklung von Medikamenten und Agrochemikalien ist: Maulide gelang es, aus der ursprünglichen drei- eine fünfgliedrige Ringstruktur zu machen. Die Ergebnisse erscheinen aktuell im renommierten Fachmagazin „Angewandte Chemie“.

Die für das Leben verantwortlichen Moleküle bestehen hauptsächlich aus in unterschiedlichster Weise verknüpften Kohlenstoff- und Wasserstoffatomen. Kohlenstoff-Kohlenstoffbindungen bilden das „Rückgrat“ dieser Verbindungen, die 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 Cyclopropane haben entsprechend die Kohlenstoffatome in einem Dreieck angeordnet.

Die Winkel zwischen den Bindungen im Cyclopropan sind, wie beim Dreieck, etwa 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 Professor Dr. Nuno Maulide vom Institut für Organische Chemie der Universität Wien. Dabei entsteht eine 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.

Die Arbeitsgruppe um den portugiesischen Chemiker will sich die besonderen chemischen Eigenschaften dieser Moleküle zunutze machen. „Cyclopropane könnten als sehr gute Bausteine für hochwertige Produkte eingesetzt werden. Wir sind besonders an der Familie der sogenannten 'push-pull'-Cyclopropane interessiert“, erklärt Maulide. Diese Moleküle besitzen zwei direkt an den dreigliedrigen Ring gebundene Substituenten. Der eine Rest schiebt Elektronendichte in den Ring hinein, der andere zieht an anderer Stelle die Elektronendichte aus dem Ring heraus. Dies ermöglicht eine Ringöffnung bereits bei niedrigen Temperaturen und unter milden Bedingungen. „Stellen Sie sich ein Dreieck vor, an welchem wir an einer Seite ziehen und an der anderen Seite drücken. Genau das geschieht auch auf molekularer Ebene durch die Substituenten“, erklärt der Forscher.

Bislang versuchten Chemiker, 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 deutlich milderen Bedingungen durchzuführen, sondern die Endprodukte auch vielseitiger und somit ideal für weitere Anwendungen für Pharmazeutika macht", betont Maulide.

„Die Produkte dieser Reaktionen sind fünfgliedrige Ringe. Man kann Chemie also benutzen, um aus drei fünf zu machen“, beschreibt Maulide. Die resultierenden fünfgliedrigen Tetrahydrofurane sind die Kernstrukturen von unterschiedlichen biologisch aktiven Substanzen. Die Verbindungen eignen sich daher sehr gut für die Anwendung als Pharmazeutika und Agrochemikalien. Beeindruckend sei 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.