Eine chemische Zusammenarbeit hat zu einem kreativen Weg geführt, Kohlendioxid für eine gute – und sogar gesunde – Verwendung zu nutzen: indem es über Elektrosynthese in eine Reihe organischer Moleküle eingebaut wird, die für die pharmazeutische Entwicklung von entscheidender Bedeutung sind.
Dabei machte das Forscherteam eine innovative Entdeckung. Durch die Änderung des elektrochemischen Reaktortyps könnten sie zwei völlig unterschiedliche Produkte herstellen, die beide in der medizinischen Chemie nützlich sind.
Die Arbeit des Teams, „Electrochemical Reactor Dictates Site Selectivity in N-Heteroarene Carboxylations“, veröffentlicht am 5. Januar in Natur. Die Co-Hauptautoren der Veröffentlichung sind die Postdoktoranden Peng Yu und Wen Zhang sowie Guo-Quan Sun von der Universität Sichuan in China.
Das Cornell-Team unter der Leitung von Song Lin, Professor für Chemie und chemische Biologie am College of Arts and Sciences, hat zuvor den Prozess der Elektrochemie verwendet, um einfache Kohlenstoffmoleküle zusammenzufügen und komplexe Verbindungen zu bilden, wodurch Edelmetalle oder andere Katalysatoren überflüssig wurden um die chemische Reaktion zu fördern.
Für das neue Projekt haben sie ein spezifischeres Ziel im Visier: Pyridin, den am zweithäufigsten vorkommenden Heterocyclus in von der FDA zugelassenen Arzneimitteln. Heterocyclen sind organische Verbindungen, in denen die Atome der Moleküle zu Ringstrukturen verknüpft sind, von denen mindestens eines kein Kohlenstoff ist. Diese Struktureinheiten werden aufgrund ihres häufigen Vorhandenseins in medizinisch aktiven Verbindungen als „Pharmakophore“ angesehen. Sie werden auch häufig in Agrochemikalien gefunden.
Das Ziel der Forscher war es, carboxylierte Pyridine herzustellen, also Pyridine mit angehängtem Kohlendioxid. Der Vorteil der Einführung von Kohlendioxid in einen Pyridinring besteht darin, dass es die Funktionalität eines Moleküls verändern und ihm möglicherweise dabei helfen kann, an bestimmte Ziele wie Proteine zu binden. Die beiden Moleküle sind jedoch keine natürlichen Partner. Pyridin ist ein reaktives Molekül, während Kohlendioxid im Allgemeinen inert ist.
„Es gibt nur sehr wenige Möglichkeiten, Kohlendioxid direkt in ein Pyridin einzuführen“, sagte Lin, der Co-Senior-Autor der Veröffentlichung, zusammen mit Da-Gang Yu von der Sichuan-Universität. „Die aktuellen Methoden haben sehr starke Einschränkungen.“
Lins Labor kombinierte sein Fachwissen in der Elektrochemie mit der Spezialisierung von Yus Gruppe auf die Verwendung von Kohlendioxid in der organischen Synthese, und sie waren in der Lage, erfolgreich carboxylierte Pyridine herzustellen.
„Die Elektrochemie gibt Ihnen diesen Hebel, um das Potenzial auszuwählen, das ausreicht, um selbst einige der trägesten Moleküle zu aktivieren“, sagte Lin. „So konnten wir diese Reaktion erreichen.“
Die zufällige Entdeckung des Teams tauchte auf, während sie die Elektrosynthese durchführten. Chemiker führen eine elektrochemische Reaktion normalerweise auf zwei Arten durch: in einer ungeteilten elektrochemischen Zelle (in der sich Anode und Kathode, die den elektrischen Strom liefern, in derselben Lösung befinden) oder in einer geteilten elektrochemischen Zelle (wobei Anode und Kathode durch getrennt sind). eine poröse Trennwand, die große organische Moleküle blockiert, aber Ionen passieren lässt). Ein Ansatz mag effizienter sein als der andere, aber beide führen zum gleichen Produkt.
Lins Gruppe fand heraus, dass sie durch den Wechsel von einer geteilten zu einer ungeteilten Zelle das Kohlendioxidmolekül selektiv an verschiedenen Positionen des Pyridinrings anbringen konnten, wodurch zwei verschiedene Produkte erzeugt wurden: C4-Carboxylierung in der ungeteilten Zelle und C5-Carboxylierung in der geteilten Zelle.
„Dies ist das erste Mal, dass wir entdeckt haben, dass man durch einfaches Austauschen der Zelle, was wir den elektrochemischen Reaktor nennen, das Produkt vollständig verändert“, sagte Lin. „Ich denke, dass das mechanistische Verständnis dessen, warum es passiert ist, es uns ermöglichen wird, dieselbe Strategie weiterhin auf andere Moleküle anzuwenden, nicht nur auf Pyridine, und vielleicht andere Moleküle auf diese selektive, aber kontrollierte Weise herzustellen. Ich denke, das ist ein allgemeines Prinzip, das verallgemeinert werden kann zu anderen Systemen.“
Während die Form der Kohlendioxidnutzung des Projekts die globale Herausforderung des Klimawandels nicht lösen wird, sagte Lin, „es ist ein kleiner Schritt in Richtung einer sinnvollen Nutzung von überschüssigem Kohlendioxid.“
Zu den Co-Autoren gehörten der Postdoktorand Yi Wang und der Doktorand Zhipeng Lu; und Forscher der Sichuan University.
Mehr Informationen:
Guo-Quan Sun et al, Elektrochemischer Reaktor diktiert Standortselektivität bei N-Heteroaren-Carboxylierungen, Natur (2023). DOI: 10.1038/s41586-022-05667-0