Substitution von gasförmigen Reagenzien durch Feststoffe

Das Ziel dieses Projektes ist die Einführung von kurzkettigen Alkylresten in komplexe organische Substanzen durch die Verwendung von einfach zu verwendenden Reagenzien. Die bevorzugten Reagenzien in der organischen Synthese sind nicht toxische, nicht korrosive Feststoffe, die ohne spezielle Vorsichtsmaßnahmen über längere Zeit gelagert werden können ohne sich zu zersetzen. Unglücklicherweise erfüllen die momentan in Verwendung stehenden Alkylierungsreagenzien diese Voraussetzungen nicht oder nur teilweise, da sie oftmals gasförmig sind und auch zusätzlich andere vorher erwähnte Kriterien nicht erfüllen. Wie kann man diese Diskrepanz nun auflösen, nachdem es schwierig ist ein gegebenes Reagenz so zu verändern, dass die Reaktivität erhalten bleibt aber die Handhabung erleichtert wird? Die Hypothese ist, dass neue Reagenzien entwickelt werden können, die leicht handhabbare Feststoffe sind, allerdings innerhalb der Reaktion ein reaktives, eventuell auch gasförmiges, Alkylierungsreagenz freisetzen. Um das umzusetzen werden wir verschiedene Reagenzklassen untersuchen, die unter definierten Bedingungen in reaktive Intermediate zerfallen, die auch geeignete Alkylierungsmittel sind. Zusätzlich muss allerdings gewährleistet sein, dass die Zersetzungsbedingungen der Reagenzien auch mit den übrigen Reaktanten, Katalysatoren und ganz allgemein den anderen Reaktionsbedingungen kompatibel sind. Zu Beginn werden die Reagenzien auf wenigen ausgewählten Testsubstraten erprobt werden, bevor die allgemeine Anwendbarkeit ausgetestet wird. Die Verwirklichung dieses Projektes wird zu einer Erhöhung der Anzahl der chemischen Reaktionen führen, die unter normalen Laborbedingungen durchgeführt werden können. Das heißt, ohne die Verwendung von zum Beispiel speziellen Hochdruckreaktoren, welche für Reaktionen mit Gasen oft benötigt werden. Zusätzlich werden Reaktionen mit gasförmigen Reagenzien vor allem an Universitäten oft aktiv vermieden. Der Grund dafür ist, dass dort Reaktionen oft nur im Milligramm Maßstab durchgeführt werden und die Dosierung von Gasen in dieser geringen Menge sehr schwierig ist. Daher birgt das Projekt das Potential, den an Universitäten typischerweise untersuchten chemischen Raum deutlich zu vergrößern. Zuletzt sollen die entwickelten Reagenzien und Methode auch noch in der Modifizierung von bekannten Wirkstoffen angewandt werden, um die Nützlichkeit der Methode an anschaulichen Beispielen zu demonstrieren.

In der Chemie allgemein und in der Synthesechemie im Speziellen, ist es das Ziel, Reaktionen nachhaltiger zu gestalten. Hierzu wurden 12 Prinzipien der Grünen Chemie definiert, die sich unter anderem mit Dingen wie Energieeffizienz, Chemikaliensicherheit, verminderter Toxizität, Abfallvermeidung und Arbeitsplatzsicherheit beschäftigen. Im Projekt SUGARS wurden genau diese Aspekte angegangen. Unter anderem gelang es karzinogene Reagenzien durch unproblematische Alternativen zu ersetzen, Abfall zu reduzieren durch lösungsmittelfreie Reaktionen (Lösungsmittel machen oft >80% des Abfalls aus), Reaktionen einfacher und sicherer zu machen (Gasreaktionen bei hohem Druck konnten durch Reaktionsbedingungen ohne die Verwendung von Gasen bei Normaldruck ersetzt werden), sowie energieeffizienter zu werden durch signifikant verkürzte Reaktionszeiten. Folgende Beispiele illustrieren kurz die in SUGARS erzielten Fortschritte: 1.) Die Einführung einer Methylgruppe (CH3, die kleinste mögliche Kohlenwasserstoff Gruppe), wurde üblicherweise durch leicht flüchtige und hoch problematische (karzinogen und teratogen) Reagenzien erreicht. In SUGARS wurden diese Reagenzien durch stabile Salze ersetzt, die eine sichere Handhabung ermöglichen. Methylierungsreaktionen sind von großer Bedeutung, da sie das biologische Wirkungsprofil von Arzneistoffen oft signifikant verbessern können, was unter dem Namen "Magic Methyl Effect" bekannt ist. 2.) Durch die Verwendung von sogenannten mechanochemischen Synthesen konnte einerseits die Energieeffizienz gesteigert werden, und andererseits die Verwendung von Lösungsmitteln reduziert werden. Das Prinzip ist eine mechanische Vermischung der Reaktionspartner, wodurch mechanische Energie anstelle von Wärmeenergie die Reaktion ermöglicht. Ein zusätzlicher Effekt dabei ist, dass die Reaktionszeiten in Abwesenheit eines Lösungsmittels auch signifikant verkürzt werden können, in unseren besten Beispielen von 12 Stunden auf nur 30 Sekunden! Diese Dinge konnten auf einige der prominentesten Reaktionen der Organischen Chemie angewandt werden, was einen unmittelbaren Einfluss auf die Art und Weise hat, wie in diesem Fachgebiet in Zukunft Reaktionen durchgeführt werden.