Wetenschap
Bindingen verbreken om bindingen te vormen:nieuwe chemische reactie met potentiële toepassingen in de medicinale chemie
Een team van scheikundigen van de Universiteit van Wenen, onder leiding van Nuno Maulide, heeft een belangrijke doorbraak bereikt op het gebied van chemische synthese, door een nieuwe methode te ontwikkelen voor het manipuleren van koolstof-waterstofbindingen. Deze ontdekking biedt nieuwe inzichten in de moleculaire interacties van positief geladen koolstofatomen.
Door zich selectief te richten op een specifieke C-H-binding, openen ze deuren naar synthetische routes die voorheen gesloten waren – met potentiële toepassingen in de geneeskunde. Het onderzoek is gepubliceerd in Science .
Levende organismen, inclusief mensen, danken hun complexiteit voornamelijk aan moleculen die voornamelijk bestaan uit koolstof, waterstof, stikstof en zuurstof. Deze bouwstenen vormen de basis van talloze stoffen die essentieel zijn voor het dagelijks leven, waaronder medicijnen. Wanneer scheikundigen een nieuw medicijn gaan synthetiseren, manipuleren ze moleculen via een reeks chemische reacties om verbindingen te creëren met unieke eigenschappen en structuren.
Dit proces omvat het verbreken en vormen van bindingen tussen atomen. Sommige bindingen, zoals die tussen koolstof en waterstof (C-H-bindingen), zijn bijzonder sterk en vereisen aanzienlijke energie om te breken, terwijl andere gemakkelijker kunnen worden gewijzigd. Terwijl een organische verbinding doorgaans tientallen C-H-bindingen bevat, moesten scheikundigen traditioneel hun toevlucht nemen tot het manipuleren van andere, zwakkere bindingen. Dergelijke bindingen komen veel minder vaak voor en moeten vaak in aanvullende synthetische stappen worden geïntroduceerd, waardoor dergelijke benaderingen duur worden. Er wordt daarom gezocht naar efficiëntere en duurzamere synthetische methoden.
C–H-activering als een nieuwe aanpak
Het concept van C-H-activering is een revolutionaire aanpak die de directe manipulatie van sterke C-H-bindingen mogelijk maakt. Deze doorbraak verbetert niet alleen de efficiëntie van synthetische processen, maar kan vaak ook de impact ervan op het milieu verminderen en duurzamere wegen voor de ontdekking van geneesmiddelen bieden.
Een belangrijke uitdaging is de precieze manipulatie van een specifieke C-H-binding binnen een molecuul dat veel verschillende C-H-bindingen bevat. Dit obstakel, bekend als het 'selectiviteitsprobleem', belemmert vaak de bredere toepassing van gevestigde C-H-activeringsreacties.
Gericht op een specifieke C–H-binding
Onderzoekers van de Universiteit van Wenen onder leiding van Maulide hebben nu een nieuwe C-H-activeringsreactie ontwikkeld die het selectiviteitsprobleem aanpakt en de synthese van complexe op koolstof gebaseerde moleculen mogelijk maakt. Door zich met opmerkelijke precisie selectief te richten op een specifieke C-H-binding, openen ze deuren naar synthetische paden die voorheen gesloten waren.
De Maulide-groep richt zich op zogenaamde "carbokationen" (dat wil zeggen moleculen die een positief geladen koolstofatoom bevatten) als belangrijke tussenproducten. "Traditioneel reageren carbokationen door een waterstofatoom naast het koolstofatoom te elimineren, waardoor een dubbele koolstof-koolstofbinding in het product ontstaat", legt Maulide uit.
"Producten met dubbele bindingen, alkenen genoemd, kunnen uiterst nuttig zijn. Soms is echter een enkele binding in plaats van een dubbele binding gewenst."
"We hebben ontdekt dat reactiviteit in bepaalde gevallen een nieuwe richting kan inslaan. Dit leidt tot een fenomeen dat 'remote eliminatie' wordt genoemd, resulterend in de vorming van een nieuwe koolstof-koolstof enkele binding – een fenomeen dat nog niet eerder is onderzocht.' legt Phillip Grant en Milos Vavrík uit, de eerste auteurs van het onderzoek.
De onderzoekers hebben deze nieuwe reactiviteit aangetoond door decalinen te synthetiseren, een bouwsteen voor veel farmaceutische producten.
"Decalinen zijn een klasse van op cyclische koolstof gebaseerde moleculen die in veel biologisch actieve verbindingen voorkomen. We kunnen deze moleculen nu op een veel efficiëntere manier produceren, wat mogelijk kan bijdragen aan de ontwikkeling van nieuwe en effectievere medicijnen", besluit Maulide.