Der Oktaeder-artige Käfig katalysiert die Zyklisierungsreaktion – © Johannes Richers / TUM
Terpene und die von ihnen abgeleiteten Verbindungen erfüllen wichtige biologische und pharmazeutische Funktionen. Dabei gelingt es der Natur selbst komplizierte Strukturen elegant aus einfachen Grundbausteinen aufzubauen. Chemisch besonders schwer herzustellen sind etwa verbrückte Ringsysteme wie das Eukalyptol. Chemiker haben nun einen Katalysator entwickelt, der genau solche Verbindungen entstehen lässt. Das Besondere daran: Auch der Katalysator selbst baut sich aus kleineren Einheiten zusammen.
Isopren, ein einfaches Terpen. © public domain.
Ausgesprochen elegant werden in der Natur komplizierte Strukturen aus einfachen Bausteinen aufgebaut. Eine zentrale Verbindungsklasse stellen dabei die Terpene dar. Bisher sind mehr als 8000 Terpene und über 30.000 der mit ihnen verwandten Terpenoide bekannt. Sie sind die Schlüsselsubstanzen für viele biologische und pharmazeutische Funktionen.
Eukalyptol. © public domain.
Eukalyptol, oder 1.8-Cineol, etwa ist in vielen Medikamenten gegen Husten enthalten. Es wirkt schleimlösend und bakterizid. Chemisch gesehen ist es eine Ringverbindung aus sechs Kohlenstoffatomen, die zusätzlich noch überbrückt ist. Diese Doppelringverbindung entsteht aus dem Grundbaustein Geraniol durch eine sogenannte Schwanz-Kopf-Zyklisierung.
Geraniol. Durch eine Schwanz-Kopf-Zyklisierung entsteht aus dem Geraniol das Eukalyptol. © public domain.
Das größte Hindernis bei einer künstlichen Herstellung stellt ein sehr energiereicher Zwischenzustand dar, der beim Aufbau durchlaufen werden muss. In diesem Zustand trägt das Molekül eine positive Ladung. Ohne die Hilfe eines Katalysators kann das Molekül aus diesem Zustand heraus verschiedenste chemische Reaktionen eingehen. Dann wäre das gewünschte Produkt nur eines unter vielen und die Ausbeute gering.
„Unser Katalysator stabilisiert den Übergangszustand und lenkt die Reaktion in die richtige Richtung“, sagt Konrad Tiefenbacher, am Lehrstuhl für Organische Chemie an der Technischen Universität München. „In Lösung waren solche Reaktionen bisher nicht durchführbar“.
Resorcin. © gemeinfrei.
Auch der Katalysator baut sich durch Selbstorganisation auf
Auch der Katalysator der Reaktion ist etwas Besonderes: Jeweils vier Resorcin-Moleküle sind zu einem großen Ring mit 16 Kohlenstoffatomen verknüpft. Sechs dieser Moleküle setzen sich in Lösung von selbst zu einem großen, Oktaeder-artigen Käfig zusammen. In seinem Inneren läuft dann die Zyklisierungsreaktion ab.
Vor allem die elektronenreichen aromatischen Ringsysteme der Resorzin-Bausteine scheinen die positive Ladung des Zwischenzustands zu stabilisieren. Ähnlich wie das Zyklisierungsenzym der Pflanze verhindert der Katalysator so unerwünschte Nebenreaktionen.
Taxol. © public domain.
Mit anderen Ausgangsverbindungen als dem Geraniol könnte man auch eine Vielzahl weiterer Verbindungen herstellen. „Das Eukalyptol ist nur ein erster Schritt“, sagt Konrad Tiefenbacher. „Unser Fernziel ist die Herstellung noch komplexerer Verbindungen, wie beispielsweise das im Kampf gegen Krebs eingesetzte Taxol“.
Technische Universität München, 17.02.2015
Originalpublikation:
Terpene cyclization catalysed inside a self-assembled cavity
Q. Zhang and K. Tiefenbacher. Nature Chemistry, Advanced Online Publication, 16. Februar 2015 – DOI: 10.1038/nchem.2181