Molekulare "Wegweiser" steuern chemische Reaktionen effizienter und nachhaltiger

Organische Moleküle bilden die Grundlage nahezu aller biologischen Prozesse. Sie bestehen vor allem aus Kohlenstoff und Wasserstoff – und gerade Wasserstoffatome sind in solchen Molekülen besonders häufig. "Wer die Eigenschaften eines Moleküls verändern will, muss oft ganz gezielt einzelne Wasserstoffatome austauschen", erklärt Philipp Spieß, ehemaliger Doktorand der Maulide-Gruppe und einer der Erstautoren der Studie.

Die präzise Veränderung von C–H-Bindungen gilt daher als eine der zentralen Herausforderungen moderner Synthesechemie. Sie spielt eine wichtige Rolle bei der Entwicklung neuer Medikamente, funktioneller Materialien und effizienterer chemischer Prozesse.

Das Scannen positiver Ladungen ermöglicht punktgenaue Steuerung

"Stellen Sie sich ein Molekül wie eine Perlenkette vor: Die ersten Perlen lassen sich leicht abzählen, doch je weiter man nach hinten kommt, desto schwieriger wird es", sagt Miloš Vavrík, Doktorand der Maulide-Gruppe und Co-Erstautor der Arbeit. "Ähnlich verhält es sich mit Atomen entlang einer Molekülkette: Nahe Positionen sind leicht erreichbar, entfernte deutlich schwerer."

Genau hier setzt die neue Methode an. Sie nutzt positive Ladungen, die ungerichtet entlang der Molekülkette wandern. "Die umherirrenden positiven Ladungen werden gescannt und punktgenau ausgewählt“, erklärt Nuno Maulide. „Das heißt, unsere Methode greift genau in dem Moment ein, in dem die gewünschte Position erreicht ist." Dadurch werden Reaktionen an Stellen möglich, die bisher nur mit großem Aufwand oder gar nicht zugänglich waren.

Effizientere und nachhaltigere Synthesechemie

"Unsere Arbeit zeigt, dass sich Kationen nicht nur unkontrolliert verhalten, sondern gezielt steuern lassen", sagt Maulide. Besonders bemerkenswert: die Forschenden können bestimmen, an welcher Stelle des Moleküls die Reaktion stattfindet – einfach über die Temperatur der Reaktion.

"Um beim Bild der Perlenkette zu bleiben: Wir können gezielt auswählen, welche Perle verändert wird", so Maulide. Das eröffnet neue Möglichkeiten für die Herstellung komplexer Moleküle, von pharmazeutischen Wirkstoffen bis hin zu funktionellen Materialien.

Die Methode kommt zudem ohne komplexe Übergangsmetall-Katalysatoren aus, die in vergleichbaren Verfahren häufig benötigt werden. Langfristig könnte dies dazu beitragen, chemische Synthesen effizienter und nachhaltiger zu gestalten.

Neue Methode mit enormem Potenzial

Die präsentierten Ergebnisse entspringen direkt aus Maulides Forschungsprojekt C-HANCE, welches von der EU mit einem ERC Advanced Grant bedacht wurde (für die Universität Wien der erste Advanced Grant in der Fachrichtung Chemie).

"Die Methode steht noch am Anfang", sagt Maulide. "Aber sie eröffnet einen neuen Zugang dazu, chemische Reaktionen präzise über wandernde Ladungen zu steuern. Darin steckt enormes Potenzial."