Većina lekova na tržištu se sastoji od cikličnih (prstenastih) molekula, od kojih mnogi sadrže više prstenova. Razvijanje jednostavnih i moćnih metoda za konstruisanje važnih i novih prstenastih sistema ostaje zadatak i izazov za hemičare kako bi proizvodili lekove efikasnije i takođe omogućili nove motive strukture lekova.
Sve popularnija strategija je modifikovanje sistema prstenova takozvanim strukturalnim uređivanjem. Ovo uključuje neznatnu izmenu skele molekula u kasnoj fazi sinteze, na isti način na koji se greške ispravljaju prilikom lektorisanja teksta.
Međunarodni tim hemičara predvođen profesorima Frankom Glorijusom (Univerzitet u Minsteru) i Kendal N. Houkom (Univerzitet Kalifornije, Los Anđeles) je sada uspeo po prvi put da upotrebi ovaj metod da ubaci četvoročlani molekularni prsten u veći , aromatični prsten , stvarajući strukturno složen biciklistički sistem prstenova. Tim je ovu novu strategiju objavio u časopisu Science.
„Promena koju smo postigli u originalnom sistemu prstenova je neverovatna. Umetanje prstena u prsten moglo bi da posluži kao nacrt za dalji razvoj“, kaže Frenk Glorijus. dr Huamin Vang, prvi autor rada iz Minsterske grupe. „Jednostavni i blagi uslovi takođe čine ovu reakciju obećavajućom za moguće primene.“
Da bi se izvršilo strukturno uređivanje, najmanje jedna hemijska veza molekularne kičme mora biti selektivno prekinuta. Savremeni alat koji obezbeđuje neophodnu energiju i selektivnost je fotokataliza vidljivog svetla. Istraživački tim je koristio ono što je poznato kao fotoredoks kataliza.
Ova grana fotokatalize koristi prenos pojedinačnih elektrona. U ovom procesu, fotokatalizator apsorbuje energiju svetlosnog zračenja i „aktivira“ supstrat prenosom elektrona. „Aktivacija“ znači da je supstrat reaktivan. Upotreba vidljive svetlosti i fotohemijske aktivacije omogućava razvoj blagih i jednostavnih reakcionih uslova.
U ovom slučaju, hemičari su koristili važan molekul koji sadrži sumpor, tiofen, kao supstrat. U novom procesu, veza ugljenik-sumpor tiofena se na kraju cepa. Drugi reaktant — molekul koji se sastoji od zategnutog četvoročlanog prstena (biciklobutana) — je umetnut između sumpora i ugljenika. Konverzija je ekološki prihvatljiva i ekonomična za atome, što znači da svi atomi dva početna materijala završavaju u proizvodu.
Tim je otkrio osnovni mehanizam nove reakcije kroz blisku saradnju eksperimentalne i računarske hemije. Grupa Frenka Glorijusa izvela je niz eksperimentalnih studija kako bi istražila mogući mehanizam. Pored toga, Ken Houk i njegova grupa su detaljno modelirali reakciju.
Na taj način su pokazali kako nastaju ove reakcije i zašto su veoma selektivne. „Proračuni Funkcionalne teorije gustine pokazali su da se fotoindukovani mehanizmi širenja prstena tiofena i benzotiofena odvijaju preko fotoredoks-indukovanih mehanizama radikal-jona“, objašnjava postdoktor dr Huiling Šao.
