Der Wirkstoff vieler Medikamente ist ein sogenanntes kleines Molekül: größer als Wasser, viel kleiner als ein Antikörper und hauptsächlich aus Kohlenstoff. Es ist jedoch schwierig, diese Moleküle herzustellen, wenn sie einen quartären Kohlenstoff benötigen – ein Kohlenstoffatom, das an vier andere Kohlenstoffatome gebunden ist. Doch nun haben Wissenschaftler von Scripps Research eine potenziell kostengünstige Möglichkeit entdeckt, diese kniffligen Motive herzustellen.
In den neuen Erkenntnissen, die veröffentlicht wurden Wissenschaft Am 5. April 2024 zeigen Chemiker von Scripps Research, dass es möglich ist, Ausgangschemikalien mithilfe eines einzigen, kostengünstigen Eisenkatalysators in quartäre Kohlenstoffe umzuwandeln. Diese Methode könnte Arzneimittelentwicklern zugute kommen, da Moleküle billiger und einfacher in kleinen und großen Maßstäben hergestellt werden können.
„Quartäre Kohlenstoffe sind in verschiedenen Forschungsbereichen allgegenwärtig – von der Arzneimittelentwicklung bis zur Materialwissenschaft“, sagt Co-Erstautor Nathan Dao, ein Ph.D. Kandidat bei Scripps Research. „Die Synthese quartärer Kohlenstoffe ist jedoch eine seit langem bestehende Herausforderung auf dem Gebiet der organischen Chemie, da sie typischerweise zahlreiche Schritte erfordert und auf raue Bedingungen oder weniger zugängliche Ausgangsmaterialien angewiesen ist.“
Zu den Co-Erstautoren der Studie gehörten neben Dao auch Xu-Cheng Gan und Benxiang Zhang.
Katalysatoren sind Substanzen, die dazu dienen, die Geschwindigkeit einer chemischen Reaktion zu beschleunigen. Manchmal sind mehrere verschiedene Katalysatoren notwendig, um eine bestimmte Reaktion zu fördern und das gewünschte Ergebnis zu erzielen: eine wahre „Reaktionssuppe“. Aber Katalysatoren können sehr teuer sein und reagieren nicht immer wie beabsichtigt – und je mehr Katalysatoren verwendet werden, desto mehr Abfall entsteht. Doch die Wissenschaftler von Scripps Research stellten fest, dass ein einzelner Katalysator mehrere entscheidende Rollen erfüllen könnte.
„Eine schwierige chemische Reaktion erfordert oft viele interagierende Komponenten“, so Co-Senior-Autor Ryan Shenvi, Ph.D., Professor am Fachbereich Chemie bei Scripps Research. „Ein Vorteil dieser Arbeit ist, dass sie unglaublich einfach ist.“
Das Team identifizierte einfache Bedingungen zur Umwandlung von Carbonsäuren und Olefinen, zwei Hauptklassen chemischer Ausgangsstoffe – oder Rohstoffe, die eine Maschine oder einen industriellen Prozess antreiben – mithilfe eines kostengünstigen Katalysators auf Eisenbasis in quartäre Kohlenstoffe. Darüber hinaus sind diese chemischen Rohstoffe nicht nur reichlich vorhanden, sondern auch kostengünstig.
„Ähnliche Reaktionen haben in letzter Zeit an Bedeutung gewonnen, daher war diese Entdeckung unvermeidlich“, erklärt Shenvi. „Die Stücke gab es bereits in der Literatur, aber niemand hatte sie vorher zusammengesetzt.“
Insgesamt unterstreicht die Studie, die in Zusammenarbeit mit dem Labor des leitenden Co-Autors Phil Baran, Ph.D., des Dr. Richard A. Lerner-Stiftungslehrstuhls im Fachbereich Chemie bei Scripps Research, durchgeführt wurde, die anhaltende Rolle der Chemie bei der Entwicklung moderner Technologie und Pharmazeutika.
„Diese Arbeit ist ein weiterer eindrucksvoller Beweis für die Kraft der kollaborativen Atmosphäre bei Scripps Research, neue Transformationen aufzudecken, die einen dramatischen Einfluss auf die Vereinfachung der Praxis der organischen Synthese haben können“, fügt Baran hinzu.
Neben Gan, Zhang, Dao, Baran und Shenvi sind Cheng Bi, Maithili Pokle, Liyan Kan und Yu Kawamata von Scripps Research die Autoren der Studie „Carbon quaternization of redox active esters and olefins by decarboxylative binding“; Michael R. Collins von Pfizer Pharmaceuticals; Chet C. Tyrol von Pfizer Medicine Design; und Philippe N. Bolduc und Michael Nicastri von Biogen Inc.
Mehr Informationen:
Xu-cheng Gan et al., Kohlenstoffquaternisierung redoxaktiver Ester und Olefine durch decarboxylierende Kopplung, Wissenschaft (2024). DOI: 10.1126/science.adn5619