Röntgenkristallstruktur von Trachylobansäure

Trachy­lobane: Natur­stoffe über C-H-Oxi­dation syn­the­tisiert

Lukas Wein und Thomas Magauer vom Institut für Organische Chemie der Universität Innsbruck ist es gelungen, Naturstoffe herzustellen, die bisher synthetisch nicht zugänglich waren. Ihre Arbeit ist ein wichtiger Fortschritt auf dem Gebiet der Kohlenstoff-Wasserstoff-Aktivierung und wurde im Journal Angewandte Chemie veröffentlicht.

Terpenoide sind eine große Klasse von Naturstoffen mit einer Vielfalt an Strukturen und biologischen Eigenschaften. Eine Unterklasse davon bilden die Trachylobane, die in verschiedenen Sonnenblumenarten vorkommen und ein komplexes Kohlenstoffgerüst besitzen sowie sehr unterschiedliche Dekorationen mit Sauerstoff aufweisen können. Diese Dekorationen bilden die funktionellen Einheiten des Moleküls, vergleichbar mit Türen und Fenstern an einem Rohbau.

Bei der Biosynthese, also der Herstellung von Terpenoiden in der Natur, sind zwei Phasen ausschlaggebend: In der Zyklierungsphase werden lineare Vorstufen der Verbindungen zu ringförmigen Strukturen umgesetzt. In der Oxidationsphase werden diese intermediären Strukturen mit Sauerstoff dekoriert und Doppelbindungen eingebaut. In der Natur ermöglichen Enzyme diese Schritte. Im Labor hingegen wurden bisher für die Zyklierungsphase klassisch chemische Kohlenstoff-Kohlenstoff-Verbindungsmethoden eingesetzt und die Dekoration in erster Linie durch vorfunktionalisierte Bausteine ermöglicht. Die selektive Oxidation von einfachen, nicht funktionalisierten Bausteinen war im Labor bisher nur sehr eingeschränkt möglich.

Mit chemischen Katalysatoren zum Erfolg

„Enzyme können zwar sehr gezielt Dekorationen einführen, allerdings nur auf bestimmte Positionen von sehr spezifischen Substraten“, erklärt Thomas Magauer vom Institut für Organische Chemie der Universität Innsbruck. Die Verwendung von leistungsstarken chemischen Katalysatoren basierend auf Ruthenium, Kupfer und Mangan sowie dirigierender Gruppen ermöglichten den totalsynthetischen Zugang zu Naturstoffen und voll-synthetischen Analoga, also Stoffe, die in der Natur nicht bekannt sind und auf diese Weise zum ersten Mal im Labor hergestellt wurden. „Die Schwierigkeit liegt hierbei in der selektiven Aktivierung von wenig reaktiven Kohlenstoff-Wasserstoff-Bindungen“, so Magauer.

Seinem Team gelang es, basierend auf Vorarbeiten aus dem Jahr 2019, beide Phasen im Labor nachzuahmen und so diverse synthetische und natürlich vorkommende Trachylobane herzustellen. Die Anwendung moderner Oxidationsmethoden zeigte dabei sowohl das Potential als auch die Einschränkungen im Vergleich zu Enzymen auf und dient als Inspiration für die Entwicklung neuer Katalysatoren im Bereich der Kohlenstoff-Wasserstoff-Aktivierung.

Großes Potential für effiziente Synthesen

Das Konzept soll nun auf andere Naturstoffe angewendet werden – die Forscher*innen versprechen sich dadurch eine große Chance, um effizientere Synthesen zu realisieren und Ressourcen einzusparen. Zusätzlich könnten so verschiedene Naturstoffvertreter einer Klasse in einem oder wenigen letzten Schritten erreicht werden. Die biologische Aktivität ist nur zum Teil erforscht und soll mit Gruppen aus der Pharmazie und Biochemie im Detail untersucht werden.

Die Forschung wurde im Rahmen des FWF Projekts P338940 “Synthesis of Polycyclic Terpenoids enabled by C–H Oxidation" und vom Center for Molecular Biosciences CMBI gefördert und als VIP-Publikation veröffentlicht.

 

Publikation: Total Synthesis and Late-Stage C–H Oxidations of ent-Trachylobane Natural Products. L. A. Wein, K. Wurst, T. Magauer. Angewandte Chemie. 2001. doi.org/10.1002/anie.202113829

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