Was haben Schiesspulver, Penicillin und Teflon gemeinsam? Sie waren Erfindungen, die die Welt im Sturm eroberten, aber sie wurden alle durch einen Zufall geschaffen.
In einer neuen Studie, die in der Zeitschrift Science veröffentlicht wurde, nutzten Forscher Elektrizität, um ein Werkzeug zu entwickeln, das die Herstellung von Verbindungen, die in Arzneimitteln und anderen Naturprodukten verwendet werden, einfacher und billiger machen könnte. Doch auch diese Erfindung reiht sich ein in die Reihe der vielen unvorhergesehenen Innovationen, die ihr vorausgingen.
Christo Sevov, Mitautor der Studie und Assistenzprofessor für Chemie und Biochemie an der Ohio State University, gehörte zu einem Team, das zunächst versuchte, einen Katalysator herzustellen, der durch Elektrizität aktiviert werden kann, um die Bindungen der gewünschten Arzneimittelverbindungen herzustellen.
Die Ergebnisse ihrer Studie legen eine allgemeine Richtlinie für die Verwendung preiswerter und weit verbreiteter Materialien nahe, um komplexe Verbindungen herzustellen, die normalerweise nicht zusammen funktionieren würden. Die Straffung dieses chemischen Prozesses könnte es den Forschern ermöglichen, auf sichere Weise wertvollere Produkte mit weniger Schritten und weniger Abfall zu erzeugen.
Um die chemischen Reaktionen im Labor zu erleichtern, nutzte Sevovs Team die Kraft der Elektrizität, anstatt energiereiche Reagenzien oder zusätzliche Substanzen zu verwenden, wie es bei der Synthese von Materialien üblich ist.
Da Elektrizität ökologisch nachhaltig ist, wird in letzter Zeit in der Industrie verstärkt auf den Einsatz der Elektrochemie zur Förderung chemischer Veränderungen gesetzt.
"Das ist heutzutage eine sehr attraktive Art, Chemie zu betreiben, denn wir haben die volle Kontrolle über die Art und Weise, wie wir diese Reaktionen durchführen", sagte Sevov.
Die Forschung findet breite Anwendung in der Medizin und bei der Herstellung von Produkten wie Agrarchemikalien (wie Pestizide oder Herbizide) und bestimmten Kunststoffen. Doch Sevovs Entdeckung, die wie ein Glücksfall anmutet, erforderte viel harte Arbeit und Geduld, um richtig zu sein.
"Es dauerte vielleicht drei Monate, in denen wir verschiedene Kombinationen von Zusatzstoffen testeten, bis plötzlich etwas funktionierte, und zwar phänomenal gut", so Sevov. "Mit diesem Komplex konnten wir Materialien zusammenfügen, die unter normalen Umständen nur sehr schwer zusammengefügt werden können.
Da die Edelmetalle, die viele Chemiker als Katalysatoren verwenden, sehr teuer sein können, wählte Sevovs Team ein Nickelatom als Katalysator für ihr Werkzeug. In der Chemie sind Katalysatoren dafür verantwortlich, die Geschwindigkeit einer chemischen Reaktion zu erhöhen oder zu verringern, indem sie Bindungen herstellen oder erzeugen.
"Die Möglichkeit, Katalysatoren zu verwenden, die sehr preiswert sind, wie Nickel, ist für die gesamte Gemeinschaft von grossem Nutzen", sagte er. Die Verwendung von Nickel ist nicht nur eine billige Alternative für Unternehmen, die Arzneimittel, Kunststoffe und Polymere herstellen, sondern hält auch die Kosten für Lebensmittelprodukte niedrig. Müssten Landwirte beispielsweise mehr für die Agrarchemikalien bezahlen, die durch diese chemischen Reaktionen entstehen, würde der Preis für ihre Ernte entsprechend steigen, so Sevov.
Um ihre Forschung weiter auszubauen, wird das Team mit Merck, einem multinationalen Pharmaunternehmen, zusammenarbeiten, um zu versuchen, andere Produkte mit schwierigeren Reaktionen und komplexeren Molekülen herzustellen. Sevov ist jedoch optimistisch, dass seine Arbeit mit der jüngsten Entdeckung ganz neue Wege in der Chemie eröffnen wird.
"Wir werden uns dieses wirklich reaktive Zwischenprodukt zunutze machen und sehen, wie weit wir damit gehen können", so Sevov.
Literatur
- Controlling Ni redox states by dynamic ligand exchange for electroreductive Csp3–Csp2 coupling Taylor B. Hamby, Matthew J. LaLama and Christo S. Sevov; Science; 21 Apr 2022