Wetenschap
Nieuwe benzofuransynthesemethode maakt de creatie van complexe moleculen mogelijk
Op het gebied van de organische chemie zijn wetenschappers altijd op zoek naar nieuwe soorten reacties om syntheseroutes voor uitdagende verbindingen te ontsluiten. Het grootste deel van de vooruitgang die we de afgelopen decennia in de farmacie en landbouwchemie hebben gezien, is terug te voeren op de ontdekking van nieuwe praktische reactieroutes. Dergelijke routes omvatten vaak de selectieve vervanging van een functionele groep door een andere, de vorming van aromatische ringen of het strategische splitsen van delen van een molecuul. Maar hoe zit het met de herschikking van bestaande functionele groepen binnen een molecuul?
Ook bekend als 'substituentmigratie', is het een aantrekkelijk proces om een functionele groep op een aromatische ring (zoals in arenes) naar een andere positie in de ring te laten springen. Chemici hebben een paar strategieën bedacht om functionele groepen te laten migreren, maar het syntheseproces wordt aanzienlijk moeilijker als het gaat om arenen met een groot aantal functionele groepen. In het bijzonder is het een uitdaging om functionele groepen te herschikken die naast de –OH-groep zijn gepositioneerd in fenolen, een basistype aromatische ring.
Gelukkig heeft een onderzoeksteam onder leiding van universitair hoofddocent Suguru Yoshida van de Tokyo University of Science (TUS), Japan, onlangs een innovatieve oplossing voor dit probleem gevonden. In hun artikel, gepubliceerd in Chemical Communications presenteren de onderzoekers een nieuwe techniek om verschillende benzofuranen te synthetiseren door middel van nauwkeurige moleculaire herschikking en substituentmigratie. Andere leden van het team waren Dr. Akihiro Kobayashi en Mr. Shinya Tabata, beiden van TUS.
De onderzoekers ontdekten tot hun verbazing dat er een ongebruikelijke substituentmigratie plaatsvond bij de behandeling van een eenvoudige aromatische verbinding, bekend als o-cresol, met alkynylsulfoxide (AS) samen met trifluorazijnzuuranhydride (TFAA). Ze ontdekten dat deze reactie gedeeltelijk een verbinding opleverde waarin de functionele groep die zich doorgaans naast de positie van de –OH-groep (of "ortho" -positie) zou bevinden, zich in plaats daarvan op de aangrenzende positie van de aromatische ring bevond door de vorming van benzofuranringen. Dit was voor hen onmiddellijk aanleiding om zich verder te verdiepen in AS/TFAA-gemedieerde reacties.
Het team kwam er uiteindelijk achter dat wanneer een gesubstitueerd fenol reageert met AS en TFFA, TFAA eerst AS activeert, wat leidt tot het sluiten van een vijfledige ring die een van zijn zijden deelt met het fenol. Dit type molecuul dat ontstaat, wordt een benzofuran genoemd.
Daarna veroorzaken de onevenwichtige ladingen op de benzofuran wat bekend staat als een 'ladingsversnelde sigmatropische herschikking'. Simpel gezegd zorgt de vorming van positief geladen tussenverbindingen ervoor dat de orthofunctionele groep naar de aangrenzende positie aan de fenolzijde kan migreren.
De onderzoekers demonstreerden de veelzijdigheid van hun strategie door een grote verscheidenheid aan benzofuranen te synthetiseren, waarvan sommige zeer gefunctionaliseerd of zelfs volledig gefunctionaliseerd waren. Met name de opbrengsten van sommige van deze verbindingen waren uitzonderlijk goed, en in alle gevallen werd de samenstelling van de functionele groepen niet beschadigd of gewijzigd door het proces.
"Onze modulaire synthesemethode stelde ons in staat om via substituentmigratie diverse sterk gesubstitueerde benzofuranen te produceren uit gemakkelijk verkrijgbare uitgangsmaterialen", benadrukt Dr. Yoshida. "Aangezien verschillende benzofuranen al zijn gebruikt als belangrijke bioactieve verbindingen, zouden nieuw toegankelijke benzofuranen van groot belang kunnen zijn in de farmaceutische wetenschappen en de agrochemie."
Over het geheel genomen heeft deze studie een innovatieve manier ontsloten om eenvoudig complexe benzofuranen te synthetiseren. De onderzoekers hopen dat hun inspanningen de weg zullen vrijmaken voor betere geneesmiddelen tegen kanker, antibiotica, fungiciden, herbiciden en meer.
Het vermelden waard is dat de potentiële toepassingen van nieuwe, sterk gefunctionaliseerde benzofuranen veel verder reiken dan de farmacie en de agrochemie. Ze kunnen ook worden gebruikt als hulpmiddelen bij biologisch onderzoek, als kleurstoffen en pigmenten voor textiel, als geurstoffen en zelfs als organisch-elektronische of fluorescerende materialen.
Nu rest ons alleen nog het perfectioneren van deze veelbelovende synthesetechniek en het blijven zoeken naar meer manieren om de migratie van substituenten te controleren. "Toepassingen op de ontwikkeling van bioactieve benzofuranen, de synthese van verschillende heteroaromaten via vergelijkbare reactiemechanismen, en theoretische studies met dichtheidsfunctionaaltheorieberekeningen zijn gaande in ons laboratorium", zegt Dr. Yoshida.