Quantifizierung der Carbonylreaktivität in Wasser zur Untersuchung der Chemie des Lebens

• Antragsteller: Dr. Robert Mayer
• Fachliche Zuordnung: Organische Molekülchemie - Synthese, Charakterisierung
• Förderung: Förderung seit 2025
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 553844165

Die Entstehung des Lebens aus einfachen Bausteinen zu erklären, ist eine grundlegende Herausforderung für die organische Chemie. Die Vielzahl der präbiotisch möglichen Reaktionen ist bisher nur wenig systematisch erforscht, und die Identifizierung neuer Reaktionswege erfolgt meist durch „Trial-and-Error.“ Additionsreaktionen von Nucleophilen an Carbonylgruppen sind eine besonders wichtige Reaktionsklasse in der präbiotischen Chemie, der Biochemie und der organischen Chemie im Allgemeinen. Allerdings kann das Ergebnis solcher Additionsreaktionen in wässriger Lösung aufgrund der aktiven Beteiligung des Lösungsmittels und von Säure- oder Basenkatalysatoren bisher nicht quantitativ vorhergesagt werden. Das Ziel dieses Projekts ist die Entwicklung robuster quantitativer Modelle, die Geschwindigkeiten, Gleichgewichte und Mechanismen nucleophiler Additionsreaktionen an Carbonylgruppen in Wasser rationalisieren und vorhersagen können. Diese Modelle werden dann auf Reaktionen angewendet die für die präbiotische Chemie relevant sind, mit dem Ziel, in dieser Disziplin eine Herangehensweise zu etablieren die auf Modellen chemischer Reaktivität beruht. Zunächst werde ich automatisierte Hochdurchsatzmethoden entwickeln, um eine große Anzahl kinetischer Messungen unter definierten Bedingungen effizient durchzuführen zu können. Diese Methodik werde ich nutzen, um einen Datensatz mit Geschwindigkeits- und Gleichgewichtskonstanten für die Reaktionen einer Reihe von Carbonylverbindungen und Nucleophilen zu generieren. Anschließend werde ich Ansätze aus der physikalisch-organischen Chemie, der Datenwissenschaft und der Computerchemie testen, um den experimentellen Datensatz zu rationalisieren und Vorhersagemethoden für Carbonyladditionen zu entwickeln. Schließlich werde ich die entwickelte Methodik auf zwei spezifische Anwendungsfälle im Zusammenhang mit der präbiotischen Chemie übertragen. Einerseits werde ich die Geschwindigkeiten und Mechanismen von Reaktionen analysieren, die für die präbiotische Chemie relevant sind, und die Anwendbarkeit meiner Methode zur Vorhersage neuer präbiotischer Reaktionen sowie der Selektivität innerhalb von Gemischen an Substraten testen. Andererseits werde ich meine Methodik nutzen, um die intrinsischen Reaktivitätstrends biochemischer Metabolite zu quantifizieren, was es mir ermöglichen wird, die Rolle von Enzymen im frühen Stoffwechsel aufzuklären. Die von mir vorgeschlagene Forschung wird mechanistisch komplexe Additionsreaktionen an Carbonylgruppen in Wasser quantitativ vorhersagbar machen und die Systematisierung eines der grundlegendsten Reaktionstypen der organischen Chemie ermöglichen.

• DFG-Verfahren: Emmy Noether-Nachwuchsgruppen
• Großgeräte: Stopped-Flow Spektrometer
• Gerätegruppe: 1120 Spezielle Reaktionsapparaturen (Blitzlicht-, Laser-, Photolyse, Stopped Flow)