Bei der Suche nach Wirkstoffen für Arzneimittel spielen Moleküle mit einem zentralen Ringsystem eine wichtige Rolle – und die richtige Größe der Ringe ist von Bedeutung, wenn es darum geht, das gewünschte Produkt möglichst effizient herzustellen. Dafür hat ein Team von Chemikern unter der Leitung der Professoren Frank Glorius (Universität Münster) und Osvaldo Gutierrez (Texas A&M University, USA) nun ein präzises und effizientes Werkzeug entwickelt, das auf „Single Atom Skeletal Editing“ beruht.

Ihr Ansatz besteht darin, ein einzelnes Kohlenstoffatom in das Kohlenstoffskelett ringförmiger Verbindungen einzufügen. Dadurch kann die Ringgröße zwischen fünf- und sechsgliedrigen Ringen angepasst werden. Die Ergebnisse der Studie eröffnen neue Wege für das Design und die Modifizierung komplexer Molekülstrukturen.

Durch Skelett-Editierung (Skeletal Editing) können Atome innerhalb eines Ringsystems ausgetauscht werden. “Früher lag der Fokus auf dem Einbau von Stickstoffatomen. Im Gegensatz dazu ist der Einbau eines Kohlenstoffatoms in einen reinen Kohlenstoffring eine große Herausforderung“, so Fu-Peng Wu von der Uni Münster. „Das Kohlenstoff-Reagenz muss mit verschiedenen funktionellen Gruppen, die die chemischen Eigenschaften des Moleküls bestimmen, kompatibel sein. In den vergangenen Jahrzehnten wurde nur eine geringe Anzahl solcher Reagenzien entwickelt.

Das Team aus Münster nutzte die Fotoredoxkatalyse, um die Reaktion mithilfe von Lichtenergie anzutreiben (Foto). Mithilfe spezieller reaktionsfreudiger Kohlenstofffragmente (radikalische Carbine) fügten die Forscher einzelne Kohlenstoffatome mit verschiedenen funktionellen Gruppen in einen Inden-Ring ein. Inden ist – wie auch Naphthalin – ein häufig genutzter Ausgangsstoff zur Herstellung organischer Verbindungen.

Osvaldo Gutierrez und seine Gruppe führten mechanistische Berechnungen durch, um den zugrundeliegenden Reaktionsmechanismus der Radikalkette aufzudecken. „Unsere Berechnungen mit der Dichtefunktionaltheorie legen nahe, dass die Reaktion über eine anfängliche Addition eines Diazomethylradikals an Inden abläuft“, betont Postdoktorand Remy Lalisse.

Die münsterschen Forscher erhielten finanzielle Unterstützung von der Deutschen Forschungsgemeinschaft (Leibniz-Preis) und der „Alexander von Humboldt-Stiftung“. Die Berechnungen mit der Dichtefunktionaltheorie (DFT) wurden von den National Institutes of Health, der Camille and Henry Dreyfus Foundation und der Welch Foundation unterstützt.