CO₂-Recycling und effiziente Arzneimittelentwicklung – zwei Probleme mit einer Reaktion angehen

Großer Durchbruch, da CO₂ verwendet wird, um eine traditionell schwierige chemische Reaktion mit noch nie dagewesener Effizienz durchzuführen

24.02.2022 - Japan

Wissenschaftler des Institute for Chemical Reaction Design and Discovery (ICReDD) an der Universität Hokkaido haben eine Methode entwickelt, die dazu beitragen kann, CO₂-Abfälle zu recyceln und gleichzeitig Moleküle für die Entwicklung von Medikamenten herzustellen.

Neben der immer wichtiger werdenden Forderung nach Kohlenstoffneutralität sind Chemiker zunehmend an der Verwendung von Kohlendioxid (CO₂) in Synthesen interessiert. Dieses ist reichlich vorhanden, kostengünstig, relativ ungiftig und erneuerbar, allerdings ist die Reaktivität von CO₂ relativ gering. Das Team um Professor Tsuyoshi Mita hat nun eine elektrochemische Methode angewandt, bei der ein Elektron entweder an das CO₂-Molekül oder an das andere Molekül in der Lösung angehängt wird, so dass sie viel leichter miteinander reagieren können.

Diese Arbeit stellt einen besonders großen Durchbruch dar, da CO₂ verwendet wird, um eine traditionell schwierige chemische Reaktion mit noch nie dagewesener Effizienz durchzuführen. Unter bestimmten Bedingungen können Elektronen zwischen vielen Atomen eines Moleküls in einem so genannten aromatischen System geteilt werden. Diese Systeme sind besonders stabil und schwer aufzubrechen. Mit der am ICReDD entwickelten neuen Methode können diese stabilen aromatischen Systeme jedoch dearomatisiert oder aufgebrochen werden, indem dem Molekül mit Hilfe von Elektrizität CO₂ hinzugefügt wird. Dieses Verfahren hat das Potenzial, sowohl CO₂ zu recyceln als auch hochwertige Dicarbonsäuren aus einfachen Ausgangsstoffen herzustellen und damit zwei Probleme auf einmal zu lösen.

Vor den eigentlichen Experimenten untersuchten die Wissenschaftler des ICReDD verschiedene heteroaromatische Verbindungen, indem sie ihr Redoxpotenzial berechneten. Dieses gibt an, wie eine Verbindung reagiert, wenn sie einer elektrischen Umgebung ausgesetzt wird. Die Ergebnisse ermöglichten es den Forschern, potenziell reaktive Verbindungen zu identifizieren und gezielte elektrochemische Experimente durchzuführen. Sie zeigen, dass eine Vielzahl von Substraten, die ein stark negatives Redoxpotenzial aufweisen, sehr effizient diese beispiellose dearomative Addition zweier CO₂-Moleküle umsetzen können. Die erhaltenen Dicarbonsäuren lassen sich leicht und kostengünstig in wichtige Zwischenprodukte für biologisch aktive Verbindungen umwandeln, was zu einer effizienteren und wirtschaftlicheren Arzneimittelentwicklung führen könnte. Die an der Studie beteiligten Forschenden führen die schnelle Entwicklung dieses neuen Verfahrens auf ihre Strategie zurück, zunächst rechnerische Analysen durchzuführen, die ihre experimentellen Entscheidungen im Labor unterstützen.

„Als ich zum ICReDD kam, begann ich, computergestützte Chemie zu erlernen. Innerhalb eines Jahres war ich in der Lage, fortgeschrittene Berechnungstechniken zu nutzen, was für meine Entscheidungen im Labor sehr hilfreich war“, so Erstautor Dr. Yong You. „Es dauerte nur acht Monate, um die Forschung abzuschließen und die Arbeit zu veröffentlichen, was viel schneller ist als ein herkömmliches Projekt mit Experimenten. Es wird viel Forschungszeit gespart, weil ein Computer die Machbarkeit der Reaktantenstrukturen und der möglichen Reaktionswege zuverlässig vorhersagen kann“, kommentierte Tsuyoshi Mita, der dieses Projekt leitete.

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