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Wissenschaftler entwickeln neuen Ansatz zur synthetischen Herstellung von Naturstoffen (Terpenen)

Terpene sind Naturstoffe, deren Nachbildung im Labor oft nur mühevoll gelingt. Chemiker der Universität zu Köln, Bonn und Basel haben eine der Natur nachempfundene Synthesemethode entwickelt. Das berichten die Forscher in der Fachzeitschrift «Nature Catalysis».

Terpene bilden die grösste Klasse der in der Natur vorkommenden chemischen Verbindungen. Zu ihnen gehören zum Beispiel zahlreiche ätherische Öle, Steroide oder klinisch relevante Wirkstoffe wie das Malariamedikament Artemisinin oder das Krebstherapeutikum Taxol. Trotz stetig verfeinerten Synthesemethoden können Chemiker diese strukturell komplexen Verbindungen im Labor jedoch nur schwer nachbilden. Oft sind zahlreiche, nicht immer selektive Syntheseschritte nötig und die Ausbeuten gering.

Die Natur macht es vor
Teams von der Universität Basel, Universität zu Köln und Bonn haben jetzt ein der Natur nachempfundenes Synthesekonzept für Terpene entwickelt.
Der entscheidende Schritt der Synthese findet dabei im Hohlraum einer kugelförmigen Verbindung statt – einer sogenannten molekularen Kapsel. Die dabei verwendete Resorcinaren-Kapsel ist bereits seit etwa 20 Jahren bekannt, ihre katalytische Wirkung ist jedoch erst vor kurzem beschrieben worden. In organischen Lösungsmitteln kann sich die Kapsel mithilfe von Wasserstoffbrücken selbst aus sechs kleineren, ringförmigen Verbindungen bilden.

Analog der Natur gehen die Forscher von einem Ausgangsstoff für die Synthese aus, der von der Kapsel umschlossen wird. Diese setzt dann aufgrund der räumlichen Gegebenheiten die Bildung der Terpene in Gang. Durch im Vorläuferstoff zuvor eingebaute Kontrollelemente werden zudem unerwünschte Nebenreaktionen vermieden und die Transformation in Richtung des gewünschten Produkts gelenkt.

Computersimulationen an der Universität zu Köln
Die Anwendbarkeit des Konzeptes wurde durch die vierstufige Synthese des Naturstoffs Isolongifolen belegt, mit der Bildung einer durch die Kapsel katalysierten ringförmigen Terpenverbindung als Schlüsselschritt. Dies gelang – verglichen mit herkömmlichen Synthesen – in deutlich weniger Schritten und mit guter Ausbeute. Durch den Einsatz von markierten Vorläufern und mithilfe von Computersimulationen klärten die Chemiker zudem den Reaktionsmechanismus auf.

Diese Computersimulationen fanden an der Universität zu Köln unter der Leitung von Professor Bernd Goldfuss am Institut für Organische Chemie statt. Durch den Einsatz quantenchemischer Verfahren konnte das Rätsel der experimentell beobachteten 13-C-Markierung in Isolongifolen aufgeklärt werden. Erst der Einsatz dieser Computerchemie-Verfahren eröffnete somit detaillierte Einblicke in die molekularen Mechanismen der Isolongifolen-Bildung. Die Anwendung dieser Computer-Chemie-Methoden wurde insbesondere durch Berechnungen auf dem DFG finanzierten Supercomputers CHEOPS (Rechenzentrum der Universität zu Köln) ermöglicht.


Zur Publikation:
Qi Zhang, Jan Rinkel, Bernd Goldfuss, Jeroen S. Dickschat, Konrad Tiefenbacher
Sesquiterpene cyclizations catalyzed inside the resorcinarene capsule and application in the short synthesis of isolongifolene and isologifolenone
Nature Catalysis (2018), doi: 10.1038/s41929-018-0115-4

Inhaltlicher Kontakt:
Prof. Dr. Bernd Goldfuss
goldfuss(at)uni-koeln.de
+49-221-470-5729

Presse und Kommunikation:
Jürgen Rees
+49 221 470-3107
j.rees(at)verw.uni-koeln.de