Jak sama nazwa wskazuje, „cząsteczki klatkowe” w kształcie pierścienia przypominają klatkę i to właśnie ta trójwymiarowa struktura czyni je znacznie bardziej stabilnymi niż pokrewne, płaskie cząsteczki. W związku z tym mogą zainteresować twórców leków, gdyż stanowią możliwą alternatywę dla konwencjonalnych pierścieni molekularnych z grupy związków aromatycznych. Zespół badawczy na Uniwersytecie w Münster (Niemcy) kierowany przez chemika profesora Franka Gloriusa opracował nową metodę wytwarzania tak zwanych cząsteczek 3D podstawionych heteroatomami i opublikował wyniki w czasopiśmie Kataliza natury. Innowacyjne struktury powstają poprzez precyzyjne umieszczenie jednostki trójatomowej w naprężonym (wysokoenergetycznym) pierścieniu partnera reakcji.
Pierścienie aromatyczne to płaskie pierścienie w cząsteczkach organicznych. Należą do najpowszechniejszych składników środków farmaceutycznych i agrochemicznych. Jednakże struktury te mogą być niestabilne w warunkach fizjologicznych i w ten sposób utrudniać skuteczność związków farmaceutycznych. Aby rozwiązać ten problem, naukowcy badali złożone trójwymiarowe alternatywy – pierścienie przypominające klatkę, które są sztywniejsze, a przez to bardziej stabilne. Chociaż takie trójwymiarowe substytuty prostych płaskich pierścieni, takich jak benzen (pierścień z sześcioma atomami węgla) są już dostępne, znacznie trudniej było zsyntetyzować trójwymiarowe wersje płaskich pierścieni, które zawierają jeden lub więcej innych ważnych atomów, takich jak azot, tlen lub siarka. Te tak zwane pierścienie „heteroaromatyczne” są szczególnie powszechne w lekach.
Przełom dokonany przez zespół z Uniwersytetu w Münster nastąpił dzięki zastosowaniu bicyklobutanu, wysoce reaktywnej cząsteczki, i wywołaniu reakcji chemicznej energią świetlną. „Dzięki zastosowaniu katalizatora światłoczułego mogliśmy precyzyjnie wprowadzić atomy azotu, tlenu i węgla do tej bardzo reaktywnej małej cząsteczki bicyklicznej, co pozwoliło nam zsyntetyzować nowy typ pierścienia 3D” – wyjaśnia profesor Glorius. Poprzednie badania skupiały się głównie na wprowadzaniu atomów węgla do bicyklobutanu. Natomiast wstawienie heteroatomów, takich jak azot i/lub tlen, prowadzi do nowych analogów pierścieni 3D przypominających klatki. „Te nowe pierścienie mogą potencjalnie zastąpić płaskie pierścienie heteroaromatyczne w cząsteczkach leków, otwierając nowe możliwości opracowywania leków” – mówi dr Chetan Chintawar. Zsyntetyzowane pierścienie są stabilne, wszechstronne i można je łatwo modyfikować, co czyni je użytecznymi elementami budulcowymi do tworzenia wielu innych cząsteczek cyklicznych.
Naukowcy przeprowadzili badania eksperymentalne i obliczeniowe, aby zrozumieć mechanizm reakcji. Sugerują, że reakcja jest inicjowana przez indukowane światłem przeniesienie elektronów ze wzbudzonego katalizatora do reagentów dostarczających produkty końcowe.
