09.01.2023 - Cornell University

Elektrochemie wandelt Kohlenstoff in nützliche Moleküle um

Wie ein Team mithilfe der Elektrosynthese Kohlendioxid in wertvolle pharmazeutische Moleküle verwandelt

Eine Zusammenarbeit in der Chemie führte zu einem kreativen Weg, Kohlendioxid für einen guten - und sogar gesunden - Zweck zu nutzen: indem es mittels Elektrosynthese in eine Reihe organischer Moleküle eingebaut wird, die für die pharmazeutische Entwicklung von entscheidender Bedeutung sind.

Dabei machte das Team eine innovative Entdeckung. Indem sie den Typ des elektrochemischen Reaktors änderten, konnten sie zwei völlig unterschiedliche Produkte herstellen, die beide in der medizinischen Chemie nützlich sind.

Der Artikel des Teams, "Electrochemical Reactor Dictates Site Selectivity in N-Heteroaren Carboxylations", wurde am 5. Januar in Nature veröffentlicht. Die Co-Autoren der Arbeit sind die Postdocs Peng Yu und Wen Zhang sowie Guo-Quan Sun von der Universität Sichuan in China.

Das Cornell-Team unter der Leitung von Song Lin, Professor für Chemie und chemische Biologie am College of Arts and Sciences, hat bereits früher den Prozess der Elektrochemie genutzt, um einfache Kohlenstoffmoleküle zu komplexen Verbindungen zusammenzufügen, ohne dass Edelmetalle oder andere Katalysatoren zur Förderung der chemischen Reaktion benötigt werden.

Für das neue Projekt nahmen sie ein spezifischeres Ziel ins Visier: Pyridin, den zweithäufigsten Heterozyklus in von der FDA zugelassenen Medikamenten. Heterozyklen sind organische Verbindungen, bei denen die Atome der Moleküle zu Ringstrukturen verbunden sind, von denen mindestens eines nicht aus Kohlenstoff besteht. Diese Struktureinheiten gelten als "Pharmakophore", da sie häufig in medizinisch wirksamen Verbindungen vorkommen. Auch in Agrochemikalien sind sie häufig zu finden.

Das Ziel der Forscher war es, carboxylierte Pyridine herzustellen, d. h. Pyridine mit angehängtem Kohlendioxid. Der Vorteil der Einfügung von Kohlendioxid in einen Pyridinring besteht darin, dass es die Funktionalität eines Moleküls verändern und möglicherweise dazu beitragen kann, dass es an bestimmte Ziele, wie z. B. Proteine, bindet. Allerdings sind die beiden Moleküle keine natürlichen Partner. Pyridin ist ein reaktives Molekül, während Kohlendioxid im Allgemeinen inert ist.

"Es gibt nur sehr wenige Möglichkeiten, Kohlendioxid direkt in ein Pyridin einzubringen", sagt Lin, der gemeinsam mit Da-Gang Yu von der Universität Sichuan die Studie verfasst hat. "Die derzeitigen Methoden haben sehr starke Einschränkungen".

Das Labor von Lin kombinierte sein Fachwissen in der Elektrochemie mit der Spezialisierung von Yus Gruppe auf die Verwendung von Kohlendioxid in der organischen Synthese, und es gelang ihnen, carboxylierte Pyridine herzustellen.

"Mit Hilfe der Elektrochemie kann man ein Potenzial einstellen, das ausreicht, um selbst einige der trägsten Moleküle zu aktivieren", so Lin. "Auf diese Weise konnten wir diese Reaktion erreichen.

Die zufällige Entdeckung des Teams ergab sich während der Durchführung der Elektrosynthese. Chemiker führen eine elektrochemische Reaktion in der Regel auf eine von zwei Arten durch: in einer ungeteilten elektrochemischen Zelle (in der sich die Anode und die Kathode, die den elektrischen Strom liefern, in derselben Lösung befinden) oder in einer geteilten elektrochemischen Zelle (bei der die Anode und die Kathode durch einen porösen Teiler getrennt sind, der große organische Moleküle blockiert, aber Ionen durchlässt). Der eine Ansatz mag effizienter sein als der andere, aber beide erzeugen das gleiche Produkt.

Die Gruppe von Lin fand heraus, dass sie durch den Wechsel von einer geteilten zu einer ungeteilten Zelle das Kohlendioxidmolekül selektiv an verschiedenen Positionen des Pyridinrings anlagern konnte, wodurch zwei verschiedene Produkte entstanden: C4-Carboxylierung in der ungeteilten Zelle und C5-Carboxylierung in der geteilten Zelle.

"Dies ist das erste Mal, dass wir entdeckt haben, dass man durch einen einfachen Wechsel der Zelle, die wir als elektrochemischen Reaktor bezeichnen, das Produkt komplett verändern kann", so Lin. "Ich denke, das mechanistische Verständnis, warum das passiert ist, wird es uns ermöglichen, die gleiche Strategie auch auf andere Moleküle anzuwenden, nicht nur auf Pyridine, und vielleicht auch andere Moleküle auf diese selektive, aber kontrollierte Weise herzustellen. Ich denke, das ist ein allgemeines Prinzip, das sich auch auf andere Systeme übertragen lässt."

Die im Rahmen des Projekts entwickelte Form der Kohlendioxidnutzung wird die globale Herausforderung des Klimawandels zwar nicht lösen, aber sie ist ein kleiner Schritt in Richtung einer sinnvollen Nutzung von überschüssigem Kohlendioxid", so Lin.

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