Forscher machen sich die Kraft von Carbenen zunutze, um Medikamente einfacher und sicherer herzustellen

Obwohl Verbindungen, die Carbene genannt werden, zu den vielseitigsten Bausteinen in der organischen Chemie gehören, können sie zu heiß sein, um sie zu handhaben. Im Labor vermeiden Chemiker oft die Verwendung dieser hochreaktiven Moleküle, da sie sehr explosiv sein können.

Doch in einer neuen Studie, die heute in der Zeitschrift veröffentlicht wurde Wissenschaftberichten Forscher der Ohio State University über eine neue, sicherere Methode, um diese kurzlebigen, hochenergetischen Moleküle in viel stabilere umzuwandeln.

„Carbene enthalten unglaublich viel Energie“, sagte David Nagib, Co-Autor der Studie und Professor für Chemie und Biochemie am Bundesstaat Ohio. „Der Wert davon ist, dass sie Chemie machen können, die Sie auf andere Weise einfach nicht machen können.“

Tatsächlich sind Mitglieder des Nagib-Labors darauf spezialisiert, Reagenzien mit solch hoher chemischer Energie nutzbar zu machen, und haben dazu beigetragen, eine Vielzahl neuer Substanzen und Techniken zu erfinden, die sonst chemisch nicht erhältlich wären.

In dieser Studie entwickelten die Forscher Katalysatoren aus billigen, auf der Erde reichlich vorhandenen Metallen wie Eisen, Kupfer und Kobalt und kombinierten sie, um ihre neue Methode zur Nutzung von Carben zu erleichtern.

Sie konnten diese neue Strategie erfolgreich einsetzen, um die Kraft reaktiver Carbene zu kanalisieren, um wertvolle Moleküle in größerem Maßstab und viel schneller als mit herkömmlichen Methoden herzustellen. Nagib verglich diesen Sprung mit Ingenieuren, die herausfanden, wie man Stahl zum Bau von Wolkenkratzern anstelle von Ziegeln und Mörtel verwendet.

Ein molekulares Merkmal, das Chemiker mit Mühe herstellen konnten, ist beispielsweise Cyclopropan, ein kleiner, gespannter Ring aus verdrehten chemischen Bindungen, der in einigen Arzneimitteln vorkommt. In jüngerer Zeit wurde Cyclopropan als Schlüsselbestandteil in der oralen antiviralen Pille namens Paxlovid verwendet. Die Pille, die zur Behandlung von COVID-19 verwendet wird, verringert die Schwere der Krankheit, indem sie die Replikation des Virus stoppt, anstatt es direkt abzutöten.

Obwohl es schwierig war, das zur Herstellung des Medikaments benötigte Cyclopropan in großen Mengen herzustellen, glaubt Nagib, dass die neue Methode seines Labors angewendet werden könnte, um das Medikament schneller und in größerem Maßstab herzustellen. „Unsere neue Methode wird einen besseren Zugang zu Dutzenden Arten von Cyclopropanen ermöglichen, um sie in alle Arten von Medikamenten zur Behandlung von Krankheiten einzuarbeiten“, sagte er.

Während die Forschung des Teams potenzielle Anwendungen außerhalb des pharmazeutischen Bereichs hat, wie Agrochemikalien, sagte Nagib, dass er am leidenschaftlichsten darüber ist, wie ihr Tool die Entdeckung neuer, zielgerichteter Medikamente beschleunigen könnte. „Sie könnten unsere Methoden technisch auf alles anwenden“, sagte er. „Aber in unserem Labor sind wir mehr daran interessiert, Zugang zu neuen Arten von wirksameren Medikamenten zu erhalten.“

Nagib sagt voraus, dass mit dem von seinem Team entwickelten Prozess ein chemisches Reagenz, dessen Herstellung derzeit 10 oder 12 Schritte (durch explosive Zwischenprodukte) erfordert, in vier oder fünf Schritten erledigt werden könnte, was fast 75 % der Herstellungszeit einspart.

Insgesamt sagte Nagib, er hoffe, dass diese Forschung anderen Chemikern bei ihrer Arbeit helfen werde.

„Es gibt viele wirklich großartige Wissenschaftler auf der ganzen Welt, die diese Art von Chemie betreiben, und mit unserem Tool könnten sie möglicherweise ein sichereres Labor haben“, sagte Nagib. „Der Geschmack der Wissenschaft, den wir betreiben, ist die befriedigendste Belohnung, wenn andere Menschen unsere chemischen Methoden verwenden, um wichtige Moleküle besser zu machen.“

Weitere Co-Autoren waren Lumin Zhang, ein ehemaliger Postdoktorand, sowie Bethany M. DeMuynck, Alyson N. Paneque und Joy E. Rutherford, alle Doktoranden in der Abteilung für Chemie und Biochemie und Mitglieder des Nagib Lab.