Ett samarbete som leds av Cornell växlar omkopplaren till traditionell syntetisk kemi genom att använda elektricitet för att driva en ny kemisk reaktion som tidigare störde kemister som förlitar sig på konventionella metoder.

Denna nya reaktion – detaljerad i lagets tidning, "Dubbel elektrokatalys möjliggör enantioselektiv hydrocyanering av konjugerade alkener, " publicerad 29 juni i Naturkemi – skulle kunna stimulera tillverkningen av en mängd nya, billiga läkemedel.

Projektet var ett samarbete mellan co-seniorförfattarna Song Lin och Robert A. DiStasio Jr., både biträdande professorer i kemi och kemisk biologi vid College of Arts and Sciences.

Lins labb undersöker de potentiella tillämpningarna av elektrokemi, som driver kemiska reaktioner med spänning istället för de reagens som gynnas av traditionell organisk kemi. Dessa reagens kan vara dyra och svåra att kontrollera i större skala. Och medan elektrokemi ofta används i batteri- och energiforskning, det används mindre vanligt vid kemisk syntes.

Lin har varit särskilt fokuserad på att använda elektrokatalys för att skapa kirala molekyler - molekyler som är icke-överlagringsbara spegelbilder av varandra (ofta kallade vänster- och högerhänta) och ganska utbredda i hela medicinsk kemi. För detta projekt, hans grupp samarbetade med läkemedelsföretaget Eli Lilly för att identifiera specifika reaktionstransformationer som skulle kunna inriktas på att skapa billiga prekursorer för nya läkemedel.

I det här arbetet, Lin och hans team utvecklade en katalysator som utför asymmetrisk katalys – ett sätt att styra kemiska reaktioner mot en specifik kiral produkt (t.ex. produktion av den högerhänta versionen av en kiral molekyl istället för den vänsterhänta).

"Det här gjorde det verkligen möjligt för oss att förbättra reaktionens selektivitet, så att du kan få en produkt ren nog att användas, potentiellt, i syfte att upptäcka läkemedel, ", sa Lin. "Även om det här arbetet inte nödvändigtvis förändrar hur läkemedlen tillverkas, det ger oss tillgång till ett stort utbud av analoger."

Forskarna kunde kombinera två olika reaktioner - koboltmedierad väteatomöverföring och kopparbefrämjad radikalcyanering - på ett alkensubstrat med hjälp av en dubbel katalytisk strategi.

"Vi har två olika katalysatorer i systemet, och var och en av dem tar på sig en specifik roll, ", sa Lin. "Elektrokemi tillåter oss att kombinera dessa två kemiska system sömlöst, och driver flera kemiska cykler eller olika oxidationshändelser i samma reaktionssystem."

Reaktionen som resulterade - asymmetrisk hydrocyanering av alkener - har gäckat organiska kemister i årtionden. Nu, genom att variera substratet, de kan justera molekylstrukturen hos ett kommersiellt läkemedel och skapa nya varianter.

För att bättre förstå mekanismen bakom denna länge eftersökta reaktion, Lin vände sig till DiStasio, vars labb är specialiserat på teoretisk kemi. Särskilt relevant är det arbete som DiStasio och hans grupp har gjort för att beskriva och förstå de icke-bundna (eller icke-kovalenta) interaktionerna som uppstår mellan molekyler.

"Efter att ha utfört ett antal detaljerade kvantmekaniska beräkningar på detta system, det blev klart för oss att kopparkatalysatorn har en ganska intressant och dikotom natur, ", sa DiStasio. "Genom att kombinera både attraktiva och frånstötande icke-kovalenta interaktioner, denna katalysator möjliggör en mycket svår, ändå oerhört användbar, kemisk reaktion."