I loppet för att skapa mer potenta och stabila läkemedel, forskare vet att tillsats av fluor kan förbättra läkemedelsmolekyler.

Dock, det finns bara en fluoriseringsreaktion känd i naturen. Och denna process utförs av komplexa och högspecialiserade enzymer som är svåra att replikera. Nu, forskare har utvecklat en ny, strömlinjeformad molekyl som kan göra enzymernas arbete men kan utformas och kontrolleras minutiöst. Denna nya katalysator förvandlar en säker, prisvärt fluorsalt till fluorerade organiska molekyler. Förutom förbättrade läkemedel, fluorerade molekyler kan också fungera som användbara "radiospårare" i högupplöst 3D-teknik för medicinsk bildbehandling, såsom PET -skanning (positronemissionstomografi).

Robert Paton, docent vid Institutionen för kemi vid Colorado State University, bidragit till den nya studien, som publicerades i veckan i Vetenskap . Arbetet tänktes och leddes av professor Véronique Gouverneur vid University of Oxford, med design och syntes tillhandahålls av Gabriele Pupo och Francesco Ibba i Gouverneur -labbet, och verkningssättet upptäckt med hjälp av kvantmekaniska beräkningar av Oxfords David Ascough och Paton.

"Denna nya katalysator utför samma funktion som det biologiska enzymet, men är en bråkdel av storleken och är mer allmänt tillämplig, "Sa Paton. Dessutom, den utformade katalysatorn kan användas för att införliva fluor i en mängd olika organiska molekyler, medan det naturligt förekommande enzymet är begränsat till bara ett mål.

Att designa en ny molekylär klo

Katalysatorer påskyndar kemiska reaktioner, skapa nya föreningar av de ursprungliga ingredienserna. Katalysatorn som Paton och hans kollegor utvecklat är specifikt anpassad för att integrera fluoratomer i en ny organisk produkt. "Det fungerar som ett arkadspel med klo -kran, ”Paton sa om katalysatorns verkningssätt.” Du försöker plocka ut en fluffig leksak ur många och hålla hårt. I vidare mening, det är vad vår katalysator gör. Omgiven av andra kemikalier, den binder selektivt fluoridjoner med hjälp av tre vätebindningar-effektivt en molekylär klo-och placerar den sedan för att tillsätta substratet, "eller målplats.

Med sådana specifika uppgifter, katalysatorer är extremt utmanande att skapa från grunden. "Du försöker konstruera en molekyl med en specifik funktion och en exakt tredimensionell form, "Sa Paton.

Det är där Patons arbete kommer in. Hans laboratorium är specialiserat på beräkningsanalys och använder kvantmekanik för att förutsäga struktur och beteende. När vi skapar en ny katalysator, "datorstödd design låter dig visualisera atomstrukturer-på samma sätt som du skulle designa ett nytt flygplan eller ett nytt hus, sa han. Tidigare har han lade till, "upptäckten av nya funktionella molekyler har starkt förlitat sig på serendipitet och försök och fel. Vi har kombinerat beräkning med experiment för att förstå mekanismen för hur det här fungerar. Och vi tillämpade det tidigt för att vägleda vår experimentella design."

Detta tillvägagångssätt gör att de kan förlita sig mindre på tidskrävande försök och fel. Istället, "det handlar om att minimera misslyckanden genom en bättre förståelse för hur reaktioner sker, " han sa.

En grönare kemi

Paton började i CSU College of Natural Sciences i januari från sin tjänst som docent vid Oxford University i Storbritannien, där det nya arbetet genomfördes. Han tar med sin brett tillämpliga forskning till den nya kemiforskningsbyggnaden.

Utöver arbetet med fluor, hans forskning övergripande hjälper också till att skapa en "grönare" kemi. Beräkningssättet minskar försök-och-felförsök. Och förbättra katalys med smartare, skräddarsydda molekyler minskar också avfallsprodukter.

Nya katalysatorer kan också sättas i arbete med att skapa nya, användbara produkter ur avfall. Till exempel, specialdesignade föreningar kan göra kasserade växtprodukter till användbara kemikalier, som energiprodukter. Det handlar om att "kunna styra katalys för att generera de produkter du vill ha, "Sa Paton. Och det arbetet kan en dag ligga bakom ett bättre läkemedel eller renare bränsle - allt tack vare en mer effektiv molekylär klo.