Molekulare „Wegweiser“ steuern chemische Reaktionen effizienter und nachhaltiger

Ein Team der Universität Wien um Nuno Maulide hat mit dem „Cation Sampling“ (Kationen-Bemusterung) eine Methode entwickelt, die chemische Reaktionen gezielter und effizienter steuert. Dabei dienen spezielle Keton-Gruppen als molekulare Wegweiser für wandernde positive Ladungen. Dies ermöglicht Reaktionen an bisher schwer zugänglichen Stellen eines Moleküls, wodurch sich Kohlenstoff-Wasserstoff-Bindungen (C–H-Bindungen) präzise verändern lassen.

Da organische Moleküle die Basis fast aller biologischen Prozesse bilden und hauptsächlich aus Kohlenstoff und Wasserstoff bestehen, ist dieser Ansatz hochgradig relevant. „Wer die Eigenschaften eines Moleküls verändern will, muss oft ganz gezielt einzelne Wasserstoffatome austauschen“, erklärt Philipp Spieß. Die gezielte Modifikation dieser Bindungen gilt als fundamentale Herausforderung der modernen Synthesechemie und ist entscheidend für die Entwicklung neuer Medikamente, funktionaler Materialien sowie effizienterer chemischer Prozesse.

Punktgenaue Reaktion: Chemische Steuerung nach dem Perlenketten-Prinzip

Miloš Vavrík veranschaulicht die Herausforderung in der Molekülkette mit einem plastischen Vergleich: „Stellen Sie sich ein Molekül wie eine Perlenkette vor: Die ersten Perlen lassen sich leicht abzählen, doch je weiter man nach hinten kommt, desto schwieriger wird es. Ähnlich verhält es sich mit Atomen entlang einer Molekülkette: Nahe Positionen sind leicht erreichbar, entfernte deutlich schwerer.“

Genau an dieser Stelle setzt die neue Methode an, indem sie positive Ladungen nutzt, die ungerichtet entlang der Kette wandern. „Die umherirrenden positiven Ladungen werden gescannt und punktgenau ausgewählt“, erklärt Nuno Maulide. „Das heißt, unsere Methode greift genau in dem Moment ein, in dem die gewünschte Position erreicht ist.“ Auf diese Weise werden chemische Reaktionen an Positionen realisierbar, die bislang überhaupt nicht oder nur unter extrem großem Aufwand zugänglich waren

Temperaturgesteuerte Präzision: Nachhaltige Synthese ohne Metallkatalysatoren

„Unsere Arbeit zeigt, dass sich Kationen nicht nur unkontrolliert verhalten, sondern gezielt steuern lassen“, sagt Maulide. Das Besondere daran ist, dass die Forschenden den genauen Ort der Reaktion im Molekül einfach über die Reaktionstemperatur bestimmen können. „Um beim Bild der Perlenkette zu bleiben: Wir können gezielt auswählen, welche Perle verändert wird“, so Maulide. Diese Flexibilität eröffnet völlig neue Wege für die Herstellung komplexer Moleküle, von pharmazeutischen Wirkstoffen bis zu funktionellen Materialien. Da die Methode zudem ganz ohne die in vergleichbaren Verfahren oft benötigten, komplexen Übergangsmetall-Katalysatoren auskommt, könnte sie chemische Synthesen langfristig deutlich effizienter und nachhaltiger gestalten.

Neue Methode mit enormem Potenzial

Die präsentierten Ergebnisse entspringen direkt aus Maulides Forschungsprojekt C-HANCE, welches von der EU mit einem ERC Advanced Grant bedacht wurde, was für die Universität Wien den ersten Advanced Grant in der Fachrichtung Chemie darstellt. „Die Methode steht noch am Anfang“, sagt Maulide. „Aber sie eröffnet einen neuen Zugang dazu, chemische Reaktionen präzise über wandernde Ladungen zu steuern. Darin steckt enormes Potenzial.“

Quelle

Universität Wien (05/2026)