Diesen Versuchsaufbau nutzen Chemiker für photochemische Reaktionen. Foto: Peter Bellotti

Diesen Versuchsaufbau nutzen Chemiker für photochemische Reaktionen. Foto: Peter Bellotti

Durchbruch bei der Herstellung dreidimensionaler Molekülstrukturen

Publiziert

Chemikern aus Deutschland und den USA ist es jetzt gelungen, gleich mehrere Klassen an flachen stickstoffhaltigen Molekülen in die begehrten, dreidimensionalen Strukturen umzuwandeln. An mehr als 100 neuartigen Beispielen konnten sie die breite Anwendbarkeit des Verfahrens demonstrieren.

Ein Hauptziel der organischen und medizinischen Chemie der vergangenen Jahrzehnte ist die schnelle Synthese dreidimensionaler Moleküle für die Entwicklung neuer Medikamente. Diese Wirkstoffkandidaten weisen im Vergleich zu vorwiegend flachen Molekülstrukturen viele verbesserte Eigenschaften auf, welche sich in klinischen Studien durch eine höhere Wirksamkeit und Erfolgsrate widerspiegeln. Sie waren aber mit früheren Methoden nur sehr aufwändig oder überhaupt nicht herstellbar. Chemikern um Prof. Frank Glorius (Westfälische Wilhelms-Universität (WWU) Münster) und seine amerikanischen Kollegen Prof. M. Kevin Brown (Indiana University Bloomington) und Prof. Kendall N. Houk (University of California, Los Angeles (UCLA)) ist es jetzt gelungen, gleich mehrere Klassen an flachen stickstoffhaltigen Molekülen in die begehrten, dreidimensionalen Strukturen umzuwandeln. An mehr als 100 neuartigen Beispielen konnten sie die breite Anwendbarkeit des Verfahrens demonstrieren. Die Studienergebnisse sind nun in der Fachzeitschrift „Science“ veröffentlicht.

Lichtvermittelte Energieübertragung überwindet Energiebarriere

Eine der effizientesten Methoden für die Synthese dreidimensionaler Architekturen ist die Addition eines Moleküls an ein Ausgangsmolekül, die sogenannte Cycloaddition. Dabei bilden sich zwei neue Bindungen und ein neuer Ring zwischen den Molekülen. Für aromatische Systeme – also flache und besonders stabile Ringverbindungen aus Kohlenstoff – war diese Reaktion mit bisherigen Methoden allerdings nicht realisierbar. Die Energiebarriere, die einer solchen Cycloaddition entgegensteht, konnte auch bei starker Wärmezufuhr nicht überwunden werden. Aus diesem Grund erforschten die Autoren des „Science“-Artikels die Möglichkeit, diese Barriere durch lichtvermittelte Energieübertragung zu überwinden.

„Das Motiv, Lichtenergie zum Aufbau komplexerer, chemischer Strukturen zu nutzen, findet sich auch in der Natur wieder“, erklärt Frank Glorius. „So wie Pflanzen in der Photosynthese mithilfe von Licht Zuckermoleküle aus den einfachen Bausteinen Kohlenstoffdioxid und Wasser synthetisieren, nutzen wir die lichtvermittelte Energieübertragung, um aus flachen Grundstrukturen komplexe, dreidimensionale Zielmoleküle herzustellen.“

Neue Wirkstoffkandidaten für pharmazeutische Anwendungen?

Die Wissenschaftler weisen auf die „enormen Möglichkeiten“ der Methode hin. Die neuartigen, unkonventionellen Strukturmotive, die das Team in der „Science“-Publikation vorstellt, erweitern deutlich das Spektrum an Molekülen, auf die medizinische Chemiker auf ihrer Suche nach neuen Wirkstoffen zurückgreifen können: So seien pharmazeutisch höchst relevante, stickstoffhaltige Grundbausteine wie Chinoline, Isochinoline und Chinazoline aufgrund von Selektivitäts- und Reaktivitätsproblemen bisher weniger verwendet worden. Durch die lichtvermittelte Energieübertragung können sie nun mit einer Vielzahl an strukturell diversen Alkenen gekoppelt werden, um neuartige dreidimensionale Wirkstoffkandidaten oder deren Grundgerüst zu erhalten. Auch für die weitere Umwandlung („Transformation“) dieser synthetisierten Grundgerüste zeigten die Chemiker viele innovative Möglichkeiten. Mit ihrer Expertise ebnen sie pharmazeutischen Anwendungen den Weg. Die einfache Durchführbarkeit und die Verfügbarkeit der benötigten Startmaterialien sind dabei ausschlaggebend für die künftige Nutzung der Technologie: Die genutzten Moleküle sind günstig im Handel erhältlich oder leicht herzustellen.

„Wir hoffen, dass diese Entdeckung Impulse in der Entwicklung neuartiger medizinischer Wirkstoffe setzen kann und darüber hinaus interdisziplinär angewandt und weiterentwickelt wird“, unterstreicht Jiajia Ma. Kevin Brown ergänzt: „Unser wissenschaftlicher Durchbruch kann auch eine große Bedeutung für die Entdeckung von Pflanzenschutzwirkstoffen und darüber hinaus erhalten.“

Synergie von experimenteller und computergestützter Chemie

Eine weitere Besonderheit der Studie: Die Wissenschaftler klärten den Reaktionsmechanismus und die exakte Struktur der erstmals hergestellten Moleküle nicht nur analytisch und experimentell genau auf, sondern auch per „Computerchemie“: Kendall Houk und Shuming Chen führten eine detaillierte computergestützte Modellierung der Reaktion durch. Sie konnten zeigen, wie diese Reaktionen ablaufen und warum sie sehr selektiv sind. „Diese Studie ist ein Musterbeispiel für die Synergie der experimentellen und der computergestützten, theoretischen Chemie“, betont Shuming Chen, mittlerweile Professorin am Oberlin College in Ohio. „Unsere genaue mechanistische Aufklärung und das Verständnis der Reaktivitätskonzepte ermöglichen es Wissenschaftlern, komplementäre Methoden zu entwickeln und das Gelernte zu nutzen, um in Zukunft effizientere Synthesewege zu entwerfen,“ ergänzt Kendall Houk.

Die Geschichte hinter der Publikation

Mit der Methode der lichtvermittelten Energieübertragung hatten sowohl Jiajia Ma und Frank Glorius (WWU Münster) als auch Renyu Guo und Kevin Brown (Indiana University) unabhängig voneinander Erfolg. Durch eine Kooperation mit Kendall Houk und Shuming Chen von der UCLA erfuhren beide Forschungsgruppen von der beidseitigen Entdeckung. Die drei Gruppen entschieden sich dazu, diese gemeinsam weiterzuentwickeln, um die wissenschaftliche Gemeinschaft so schnell wie möglich an ihrem Durchbruch teilhaben zu lassen und medizinischen Chemikern die Technologie zur Entwicklung neuartiger Medikamente bereitzustellen.

Originalveröffentlichung

EVENTS

Ilmac

Fachmesse für Prozess- und Labortechnologie

Datum: 16.-18. September 2025

Ort: Basel (CH)

CMS Berlin

Internationale Leitmesse für Reinigung und Hygiene

Datum: 23.-26. September 2025

Ort: Berlin (D)

FachPack

Europäische Fachmesse für Verpackung, Technik, Veredelung und Logistik

Datum: 23.-25. September 2025

Ort: Nürnberg (D)

POWTECH

Internationale Fachmesse für Technologien zur Verarbeitung von Pulvern, Feststoffen und Flüssigkeiten

Datum: 23.-25. September 2025

Ort: Nürnberg (D)

W3+ Fair Jena

Events für Hightech-Innovationen aus den Schlüsseltechnologien Optik, Photonik, Elektronik und Mechanik

Datum: 24.-25. September 2025

Ort: Jena (D)

Rehacare

Internationale Fachmesse für Rehabilitation, Prävention, Inklusion und Pflege

Datum: 17.-20. September 2025

Ort: Düsseldorf (D)

CPHI

Weltweit führende Messe für die pharmazeutische Industrie

Datum: 28.-30. Oktober 2025

Ort: Frankfurt (D)

A + A

Weltleitmesse für sicheres und gesundes Arbeiten

Datum: 04.-07. November 2025

Ort: Düsseldorf (D)

transport-CH

Schweizer Fachmesse für Nutzfahrzeuge und Automobil-Werkstattbedarf

Datum: 05.-08. November 2025

Ort: Bern (CH)

Healthcare Academy

Veranstaltung für Fachleute aus den Bereichen Pharma, Medizintechnik, Kosmetik und Non-Food über aktuelle Entwicklungen in der Verpackungstechnologie

Datum: 06. November 2025

Ort: St. Gallen (CH)

SEMICON Europa

Europäische Leitmesse für Mikroelektronik

Datum: 18.-21. November 2025

Ort: München (D)

AUTOMA+

Kongress für die Pharmaindustrie mit Konzentration auf die digitale Transformation und Automatisierung

Datum: 24.-25. November 2025

Ort: Vösendorf (A)

Bitkom Digital Health Conference

Konferenz für die Chancen und Herausforderungen der Digitalisierung im Gesundheitswesen

Datum: 25. November 2025

Ort: Berlin (D)

AQUA Suisse

Schweizer Fachmesse für kommunales und industrielles Wassermanagement

Datum: 26.-27. November 2025

Ort: Zürich (CH)

maintenance Schweiz

Schweizer Fachmesse für industrielle Instandhaltung und Facility Management

Datum: 26.-27. November 2025

Ort: Zürich (CH)

Pumps & Valves

Fachmesse für industrielle Pumpen, Armaturen & Prozesse

Datum: 26.-27. November 2025

Ort: Zürich (CH)

LabConCert

Internationale Konferenz zu Biosicherheit und Labortechnik

Datum: 01.-03. Dezember 2025

Ort: Freising bei München (D)

Swissbau

Fachmesse der Schweizer Bau- und Immobilienwirtschaft

Datum: 20.-23. Januar 2026

Ort: Basel (CH)

Pharmapack Paris

Europäische Fachmesse für die Pharmaverpackungs- und Arzneimittelverabreichungsgeräteindustrie

Datum: 21.-22. Januar 2026

Ort: Paris (F)

Empack Schweiz

Schweizer Fachmesse für Verpackungslösungen und -technologien

Datum: 28.-29. Januar 2026

Ort: Bern (CH)

Logistics & Automation

Fachmesse für Intralogistik, Distribution, Transport und E-Logistik in der Schweiz

Datum: 28.-29. Januar 2026

Ort: Bern (CH)

Recyclingkongress

Kongress über aktuelle Entwicklungen, Innovationen und Herausforderungen im Bereich Recycling

Datum: 30. Januar 2026

Ort: Biel/online (CH)

aqua pro

Schweizer Fachmesse für die Bereiche Trinkwasser, Abwasser und Gas

Datum: 04.-06. Februar 2026

Ort: Bulle (CH)

Paris Packaging Week

Weltweit grösste Messe für Verpackungsinnovationen in der Parfüm-, Kosmetik- und Körperpflegeindustrie

Datum: 05.-06. Februar 2026

Ort: Paris (F)

Vivaness

Internationale Fachmesse für Naturkosmetik

Datum: 10.-13. Februar 2026

Ort: Nürnberg (D)

Additive Manufacturing Forum

Europäische Leitkonferenz und Fachausstellung für additive Fertigung

Datum: 10.-11. März 2026

Ort: Berlin (D)

LogiMat

Internationale Fachmesse für Intralogistik

Datum: 24.-26. März 2026

Ort: Stuttgart (D)

analytica

Weltleitmesse für Labortechnik, Analytik, Biotechnologie und analytica conference

Datum: 24.-27. März 2026

Ort: München (D)

Global Industrie

Messe für den gesamten industriellen Sektor in Frankreich und darüber hinaus

Datum: 30. März-02. April 2026

Ort: Paris (F)

PaintExpo

Weltleitmesse für industrielle Lackiertechnik

Datum: 14.-17. April 2026

Ort: Karlsruhe (D)

LogiPharma 4.0

Veranstaltung für die Pharmalogistik und die Lieferketten in der Pharmaindustrie

Datum: 14.-16. April 2026

Ort: Wien (CH)

Hannover Messe

International Messe für alle Technologien rund um die industrielle Transformation

Datum: 20.-24. April 2026

Ort: Hannover (D)

Techtextil

Internationale Leitmesse für technische Textilien und Vliesstoffe

Datum: 21.-24. April 2026

Ort: Frankfurt am Main (D)

Siams

Fachmesse für Mikrotechnik

Datum: 21.-24. April 2026

Ort: Moutier (CH)

Swiss Biotech Day

Internationale Konferenz für die Biotechnologiebranche

Datum: 04.-05. Mai 2026

Ort: Basel (CH)

IFAT

Weltleitmesse für Wasser-, Abwasser-, Abfall- und Rohstoffwirtschaft

Datum: 04.-07. Mai 2026

Ort: München (D)

London Lab Live

Fachmesse und Konferenz für die Zukunft von Laboren

Datum: 6.-7. Mai 2026

Ort: London (GB)

interpack

Internationale Fachmesse für die Verpackungsindustrie und die zugehörige Prozessindustrie

Datum: 07.-13. Mai 2026

Ort: Düsseldorf (D)

SENSOR + TEST

Internationale Fachmesse für Sensorik, Mess- und Prüftechnik

Datum: 09.-11. Juni 2026

Ort: Nürnberg (D)

ArbeitsSicherheit Schweiz

Fachmesse für Arbeitssicherheit, Gesundheitsschutz und Gesundheitsförderung am Arbeitsplatz

Datum: 20.-21. Mai 2026

Ort: Zürich (CH)

Swissmem Industrietag

Konferenz für die Berufsbildung in der Schweizer Tech-Industrie

Datum: 23. Juni 2026

Ort: Bern (CH)

CosmeticBusiness

Internationale Fachmesse für die Kosmetik-Zulieferindustrie

Datum: 10.-11. Juni 2026

Ort: München (D)

EPHJ-EPMT-SMT

Internationale Ausstellung für Uhrenindustrie, Mikrotechnologie und Medizinaltechnik

Datum: 10.-12. Juni 2026

Ort: Genf (CH)

GS1 Excellence Days

Konferenz für Innovationen und Lösungen im Bereich der Standardisierung, Identifikation und Geschäftsprozesse

Datum: 18. Juni 2026

Ort: Bern (CH)

FILTECH

Internationale Fachmesse für Filter- und Trenntechnologie

Datum: 30. Juni-02. Juli 2026

Ort: Köln (D)

all about automation

Fachmesse für Industrieautomation

Datum: 26.-27. August 2026

Ort: Zürich (CH)

IN.STAND

Messe für Instandhaltung und Services

Datum: 15. bis 19. September 2026

Ort: Stuttgart (D)

Ilmac Lausanne

Fachmesse und Branchentreff für die Chemie- und Life-Science-Industrie in der Westschweiz

Datum: 23.-24. September 2026

Ort: Lausanne (CH)

VISION

Weltleitmesse für industrielle Bildverarbeitung

Datum: 06.-08. Oktober 2026

Ort: Stuttgart (D)

IFAS

Internationale Fachmesse für den Schweizer Gesundheitssektor

Datum: 20.-22. Oktober 2026

Ort: Zürich (CH)

electronica

Weltleitmesse und Konferenz der Elektronik

Datum: 10.-13. November 2026

Ort: München (D)

ALL4PACK EMBALLAGE

Leitmesse für die Verpackungs- und Intralogistikbranche

Datum: 24.-26. November 2026

Ort: Paris (F)

VALVE WORLD EXPO

Weltweite Leitmesse für Industrie-Armaturen

Datum: 01.-03. Dezember 2026

Ort: Düsseldorf (D)

Achema

Weltleitmesse für Prozessindustrie

Datum: 14.-18. Juni 2027

Ort: Frankfurt am Main (D)

Automatica

Weltleitmesse für intelligente Automation und Robotik

Datum: 22.-25. Juni 2027

Ort: München (D)

LASER World of PHOTONICS

Weltleitmesse und Kongressfür Komponenten, Systeme und Anwendungen der Photonik

Datum: 22.-25. Juni 2027

Ort: München (D)

drupa

Weltweit führende Fachmesse für Drucktechnologien

Datum: 09.-17. Mai 2028

Ort: Düsseldorf (D)

Bezugsquellenverzeichnis