Kemiska reaktioner används för att producera alla typer av viktiga molekyler som läkemedel, jordbrukskemikalier och material.

För att skapa ett läkemedel med specifika egenskaper - tillräckligt polärt för att lösas upp i den vattenhaltiga miljön i magen och blodet, men tillräckligt fet för att passera genom celler eller passera blod-hjärnbarriären – kemister byter vanligtvis ut utgångsmaterialen.

Nu, en studie från University of Michigan har visat att det är möjligt att ändra egenskaperna hos molekyler genom att modifiera reaktionsförhållandena istället, potentiellt effektivisera hur droger och andra användbara föreningar upptäcks. Verket publiceras i Natur .

"Föreställ dig en låda med legoklossar. Ta två valfria och klicka ihop dem. Kanske får du en röd och en blå, eller en svart och en gul. Men om du bara hade två legoklossar, du kan fortfarande klicka ihop dem på många sätt för att få olika former. Bild när du klickar ihop två legoklossar med två divoter, fyra divots, eller en divot. Du får olika former, " sa huvudförfattaren Tim Cernak, U-M biträdande professor i kemi och medicinsk kemi.

Cernaks team försöker göra samma sak med molekyler. Vanligtvis, kemister söker efter atomer med specifika egenskaper för att bygga molekyler med önskat resultat. Istället, U-M-teamet föreslår att man använder olika reaktionsförhållanden för att göra molekyler med olika former och olika egenskaper.

"Genom att kartlägga alla möjliga reaktioner, vi har upptäckt att det finns en helt ny axel att tänka på när man ändrar egenskaperna hos en molekyl, " sa Cernak.

Tjugofem procent av reaktionerna som används i läkemedelsupptäckten sammanför en amin och en karboxylsyra för att bilda en amidbindning. Dessa bindningar bildas genom att koppla den basiska aminföreningen med en karboxylsyra. Nu, U-M-teamet har visat att att justera hur en amin och en karboxylsyra är anslutna kan resultera i hundratals andra sätt att klicka ihop de två utgångsmaterialen, var och en producerar en ny molekyl med olika egenskaper.

Detta innebär att genom att variera katalysatorn och reagenset som knäpper samman aminen och karboxylsyran, kemister kan konstruera egenskaperna som föreningen kommer att visa. Cernaks labb visar att denna metod kan producera molekyler som är sura, grundläggande, lipofila eller hydrofila, alla initierade från samma två utgångsmaterial men med olika reaktionsbetingelser.

"Om vi ​​pratar om läkemedel, dessa förändringar i egenskaper kan vara skillnaden mellan en molekyl som distribueras till hjärnan och en molekyl som går till levern, ", sade Cernak. "Detta är exakt vad drogjägare gör:de ändrar atomerna bara lite för att modulera egenskaperna hos molekyler. Det gör man alltid genom att gå till legolådan och ta olika bitar av lego.

"Tänk om du kunde göra allt detta med bara två stycken Lego helt enkelt genom att använda olika katalysatorer för att knäppa ihop dem på olika sätt? Det ger en ny dimension till kemisk rymdutforskning."

Till exempel, om du dekarboxylerar karboxylsyran istället för att bilda en amidbindning, du bildar en kol-kvävebindning. Om du tar bort aminen, du bildar en kol-syrebindning. Om du samtidigt tar bort aminen och dekarboxylerar karboxylsyran, du kan göra en kol-kolbindning.

"Vi visar att du kan få tillgång till kol-kväve, kol-syre och kol-kol bindningar från samma två utgångsmaterial bara genom att variera reaktionsförhållandena, ", sa Cernak. "Upptäckten som håller mig vaken på natten är att det finns hundratals andra reaktioner som vi ännu inte har insett. Det finns så många möjligheter i dessa hundratals nya reaktioner som bara väntar på att bli uppfunna."

Studien ger också en beräkningsram för att uppfinna nya reaktioner med hjälp av en teknik för snabbreaktionsscreening som utvecklats av Cernak.

"Vi utvecklar ett gränssnitt för kemisk syntes och datavetenskap, " han sa.