Enzyminspirierter Katalysator bringt Chemikalien in die richtige Position zur Herstellung von Ethern

Inspiriert von Enzymen entwickelten Chemiker der University of Illinois Urbana-Champaign einen Katalysator, der die Synthese von Ethern, wichtigen Funktionsbestandteilen vieler Medikamente, Lebensmittel, Körperpflegeprodukte und anderer Konsumgüter, vereinfacht. Der Katalysator bringt die beiden chemischen Bestandteile in die richtige Nähe und Position, damit sie sich verbinden können. Dadurch entfallen die Schritte und Mengen, die bei Standardsyntheseprotokollen erforderlich sind.

Unter der Leitung von M. Christina White, Chemieprofessorin an der Universität von Illinois, veröffentlichten die Forscher ihre Ergebnisse im Journal Wissenschaft.

„Ether sind sehr wichtige Moleküle – sie sind in allem – und unser Ansatz rationalisiert den Prozess ihrer Herstellung und ermöglicht es uns, Ether herzustellen, die wir vorher nicht herstellen konnten“, sagte White. „Wir lassen uns immer von der Natur inspirieren. Enzyme haben uns gezeigt, wie wir diese Reaktionen besser, einfacher und effizienter durchführen können.“

Die ideale Zutatenkombination zur Herstellung eines Ethers ist ein Alkohol und ein Kohlenwasserstoff namens Alken, aber sie reagieren nicht von selbst, wenn sie miteinander vermischt werden, sagte der Doktorand Sven Kaster, der Erstautor der Studie. Das Lehrbuchprotokoll sieht vor, dem Alkohol ein Proton zu entreißen, was ihn reaktiv macht, aber es entsteht ein gemischter Cocktail von Produkten, aus dem der gewünschte Ether extrahiert werden muss. Außerdem sind große Mengen der Zutaten erforderlich, um genügend Ether zu erhalten, um nutzbar zu sein, was für komplexe, wertvolle Komponenten nicht praktikabel ist.

„Wir haben einen anderen Ansatz zur Lösung des Problems gewählt“, sagt Kaster. „Wir wollten den Alkohol nicht aktivieren und auch nicht große Mengen der Reaktionspartner einsetzen.“

Die Forscher entwickelten selbstorganisierende Katalysatoren mit kleinen Molekülen, die das Metall Palladium enthalten und eine Bindung zwischen Kohlenstoff und Wasserstoff in einem Alken spalten können, um es mit Alkohol reagieren zu lassen. Sie nannten die Katalysatoren SOX. Allerdings genügte es nicht, Alkene einfach nur reaktiv zu machen, um die gewünschten Ether zu erhalten.

Sie ließen sich von der Biologie inspirieren und untersuchten, wie Enzyme in der Natur komplexe Reaktionen katalysieren: indem sie die Reaktionspartner nahe beieinander und in der richtigen Ausrichtung platzieren, damit sie reagieren können, sagte White. Sie stellten eine Version des SOX-Katalysators, Sven-SOX, mit spezifischer Geometrie und elektronischen Eigenschaften her, sodass sich das aktivierte Alken und der Alkohol genau richtig ausrichten, um die gewünschten Ether zu erzeugen.

„Wenn zwei Menschen Händchen halten wollen, müssen sie nah beieinander sein. Aber um das bequem zu tun, müssen sie auch in die richtige Richtung blicken“, sagte White. „Wir haben diese beiden Funktionen, Nähe und Position, zusammengebracht und sozusagen unser eigenes, sich selbst zusammensetzendes ‚Enzym‘ gebaut, allerdings mit einfachen Komponenten.“

Der Sven-SOX-Katalysator funktionierte in einem breiten Spektrum ethererzeugender Reaktionen. Die Forscher stellten mehr als 130 Ether her, darunter auch komplexe, sperrige, deren Herstellung mit anderen Mitteln bislang eine Herausforderung darstellte.

„Der Hauptvorteil unseres Ansatzes ist die Allgemeingültigkeit. Wir können viele Ether herstellen, die es noch nie zuvor gegeben hat und die möglicherweise neue oder nützliche Funktionen haben“, sagte Kaster. „Wir können Ether aus Komponenten herstellen, die sehr sperrig und normalerweise schwer zusammenzusetzen sind. Unsere Reaktion läuft auch unter sehr milden Bedingungen ab, und deshalb können wir sehr empfindliche Gruppen tolerieren, die normalerweise nach der Lehrbuchmethode Reaktionen eingehen würden, die wir nicht wollen. Ein weiterer Vorteil ist, dass wir diese Ether effizienter herstellen, indem wir weniger Material und weniger Schritte verwenden. Es ist ein Verfahren, das ein Mittelschüler durchführen könnte.“

Als nächstes wollen die Forscher andere niedermolekulare Katalysatoren erforschen, die enzymähnliche Eigenschaften für die Herstellung anderer chemischer Klassen haben könnten. Sie werden auch weiterhin Etherreaktionen erforschen und herausfinden, wie man sie optimieren kann.

„Das unterstreicht wirklich die Bedeutung der Grundlagenforschung und die Fähigkeit kleiner Moleküle, wie ein Enzym zu wirken“, sagte White. „Diese Arbeit hat uns gezeigt, wie wir in Zukunft über die Entwicklung solcher Katalysatoren nachdenken und die Werkzeuge nutzen können, die Enzyme in der Natur verwenden. Wir möchten dies in die zukünftige Katalysatorentwicklung einbeziehen, um wichtige Probleme in Chemie, Medizin und Industrie zu lösen.“