Zwei Probleme mit einer Reaktion angehen

Unter Verwendung von Elektrizität bietet ein neues Verfahren die Möglichkeit, CO2 zu recyceln und gleichzeitig eine notorisch schwierige Reaktion durchzuführen, bei der Verbindungen hergestellt werden, die möglicherweise für die Arzneimittelentwicklung nützlich sind.

Wissenschaftler des Institute for Chemical Reaction Design and Discovery (ICReDD) der Universität Hokkaido haben eine Methode entwickelt, die das Potenzial hat, das Abfall-CO2 zu recyceln und gleichzeitig Moleküle herzustellen, die für die Arzneimittelentwicklung nützlich sind.

Neben der immer wichtiger werdenden Forderung nach CO2-Neutralität interessieren sich Chemiker zunehmend für die Verwendung von Kohlendioxid (CO2) in Synthesen, da es reichlich vorhanden, kostengünstig, relativ ungiftig und erneuerbar ist. Allerdings ist die Reaktivität von CO2 relativ gering. Um dies zu überwinden, verwendete das von Professor Tsuyoshi Mita geleitete Team eine elektrochemische Methode, bei der entweder dem CO2-Molekül oder dem anderen Molekül in der Lösung ein Elektron hinzugefügt wird, wodurch es für sie viel einfacher wird, miteinander zu reagieren.

Diese Arbeit stellt einen besonders großen Durchbruch dar, da CO2 verwendet wird, um eine traditionell schwierige Art der Transformation mit beispielloser Effizienz durchzuführen. Wenn bestimmte Bedingungen erfüllt sind, können Elektronen durch ein sogenanntes aromatisches System zwischen vielen Atomen in einem Molekül geteilt werden. Diese Systeme sind besonders stabil und schwer zu brechen, aber das neue Verfahren, das am ICReDD entwickelt wurde, ist in der Lage, diese stabilen aromatischen Systeme zu desaromatisieren oder zu brechen, indem dem Molekül mit Hilfe von Elektrizität CO2 hinzugefügt wird. Dieses Verfahren hat das Potenzial, sowohl CO2 zu recyceln als auch Dicarbonsäuren mit hoher Wertschöpfung aus einfachen Ausgangsmaterialien herzustellen, wodurch zwei Probleme gleichzeitig gelöst werden.

Vor den eigentlichen Experimenten untersuchten Wissenschaftler von ICReDD verschiedene heteroaromatische Verbindungen, indem sie ihre Reduktionspotentiale berechneten, die ein Maß dafür sind, wie eine Verbindung reagiert, wenn sie einer elektrischen Umgebung ausgesetzt wird. Die Ergebnisse ermöglichten es den Forschern, potenziell reaktive Verbindungen zu identifizieren und gezielte elektrochemische Experimente durchzuführen. Sie demonstrieren, dass eine Vielzahl von Substraten mit stark negativen Reduktionspotentialen sehr effizient diese beispiellose dearomatische Addition von zwei CO2-Molekülen durchlaufen können. Die erhaltenen Dicarbonsäuren können einfach und kostengünstig zu wichtigen Zwischenprodukten für biologisch aktive Verbindungen modifiziert werden, was zu einer effizienteren und wirtschaftlicheren Arzneimittelentwicklung führen könnte. Die an der Studie beteiligten Forscher führen die schnelle Entwicklung dieses neuen Verfahrens auf ihre Strategie zurück, zunächst Computeranalysen durchzuführen, die ihre experimentellen Entscheidungen im Labor beeinflussten.

„Als ich bei ICReDD anfing, fing ich an, Computerchemie zu lernen. Innerhalb eines Jahres konnte ich fortgeschrittene Berechnungstechniken anwenden, was für meine Entscheidungen im Labor sehr nützlich war“, sagte der Erstautor Dr. Yong You. „Es dauerte nur acht Monate, um die Forschung abzuschließen und das Papier zu veröffentlichen, was viel schneller ist als ein herkömmliches Projekt mit Experimenten. Es wird erheblich Forschungszeit eingespart, da ein Computer die Machbarkeit der Reaktantenstrukturen und möglichen Reaktionswege zuverlässig vorhersagen kann“, kommentierte er Tsuyoshi Mita, der dieses Projekt leitete.