化学家们创造了被称为杂原子取代的笼状结构的独特三维分子。这些突破性的结构是通过精确地将一个三原子单元插入化学反应伙伴的紧张环中而产生的。它们为药物设计中的重大挑战提供了有前途的解决方案，相比传统的平面芳香环，这些结构表现出更可靠的选择。
作为名称所暗示的，环状的“笼分子”类似于笼子，它们的三维构型使它们比平坦的对应物具有更高的稳定性。这一特性使得它们对药品开发者非常有吸引力，成为通常来源于芳香化合物的分子环的可行替代品。在德国明斯特大学的一个研究小组中，由化学家弗兰克·格洛里乌斯教授领导，介绍了一种生产杂原子取代三维分子的新方法，相关研究成果发表在期刊《自然催化》上。这些突破性的结构是通过巧妙地将一个三原子单元插入反应伙伴的高能紧张环中制成的。
芳香环是有机化合物中存在的平面结构，并且是药物和农用化学品中最常见的成分之一。然而，它们的稳定性在生理条件下可能受到影响，这限制了药物剂的有效性。为了解决这一问题，研究人员正在研究复杂的三维替代品——笼状环，这些环具有更大的刚性和稳定性。虽然一些基础平面环如苯（由六个碳原子组成的环）的三维替代品已经开发出来，但创建包含氮、氧或硫等重要原子的平面环的三维变体则证明更具挑战性。这些“杂芳香”环在药物中特别普遍。
明斯特大学团队取得的突破涉及使用双环丁烯这一显著反应性化合物，并利用光能启动化学反应。“利用光响应催化剂使我们能够准确地将氮、氧和碳原子插入这种高反应性的双环分子中，从而创造出一种新型的三维环，”格洛里乌斯教授解释道。之前的研究主要集中在向双环丁烯结构中添加碳原子。相比之下，纳入氮或氧等杂原子则会导致新的笼状三维环的变体。“这些新环可能作为药物化合物中平面杂芳香环的替代品，从而为药物开发开辟新的途径，”切坦·琴塔瓦博士表示。这些合成的环不仅稳定且适应性强，还可以轻松地进行修改，使它们成为生成多种其他环状分子的宝贵组成部分。
研究人员进行了实验和计算分析，以理解反应机制。他们提出反应开始于一个电子转移事件，由激发态催化剂的光触发到反应物，最终形成最终产品。
