Hokkaido Universitys forskare har lyckats syntetisera en α, a-difluorglycinderivat, en typ av α-aminosyra, baserat på en reaktionsbana som förutspåtts av kvantkemiska beräkningar. Denna nya metod, kombinerar experimentell kemi och beräkningskemi, skulle kunna förnya utvecklingen av nya kemiska reaktioner.

Förutom att vara de grundläggande beståndsdelarna av peptider och proteiner i vår kropp, α-aminosyror är viktiga för vårt dagliga liv. De används för näringstillskott, livsmedelstillsatser och många andra produkter. Även om naturliga α-aminosyror kan syntetiseras billigt genom konventionella fermenteringsprocesser, icke-naturliga a-aminosyror, som kan ge nya egenskaper till peptider och proteiner, görs vanligtvis genom kemisk syntes.

I den aktuella studien publicerad i Kemivetenskap , en grupp forskare vid universitetets Institute for Chemical Reaction Design and Discovery (WPI-ICReDD) fokuserade på kemisk syntes av α, a-difluorglycin, en icke-naturlig fluorerad a-aminosyra, vilket skulle kunna förbättra molekylens metaboliska stabilitet och biologiska aktivitet. Dock, en effektiv syntesmetod för aminosyran har varit svårfångad.

Att designa nya reaktioner baserade på konventionell organisk syntes kräver många försök och misstag i experiment och insikter från expertkemister. Följaktligen, en enorm mängd tid och pengar har krävts för att utveckla en innovativ reaktion.

För att övervinna detta problem, WPI-ICReDD, universitetets nya forskningsnav, antog sin kärnteknologi kallad Artificial Force Induced Reaction (AFIR) metod. AFIR är en beräkningsmetod som applicerar virtuella intermolekylära eller intramolekylära krafter för att utföra systematisk sökning efter kemiska reaktionsvägar. Gruppen tillämpade AFIR-metoden för att genomföra så kallad retrosyntetisk analys som använder kvantkemiska beräkningar för att hitta nedbrytningsvägarna för en önskad produkt innan de föreslår syntetiska vägar på ett omvänt sätt.

De sökte efter nedbrytningsvägar för α, α-difluorglycin och valde ut en grupp innefattande tre grundläggande och enkla föreningar - amin, difluorkarben, och koldioxid. Deras beräkning förutspådde att dessa tre föreningar är kapabla att producera målföreningen med 99,99 % utbyte.

Efter att ha finjusterat olika reaktionsförhållanden, de experimentella kemisterna syntetiserade framgångsrikt en α, a-difluorglycinderivat i 80 % utbyte. "Vi misslyckades först med att få målprodukten, men vi var fortfarande övertygade om att syntesen var framgångsrik eftersom beräkningsförutsägelsen var så konkret. Det uppmuntrade oss att fortsätta, " säger Tsuyoshi Mita från gruppen. "Det tog bara två månader att uppnå syntesen, vilket är betydligt snabbare än en typisk utvecklingsprocess. Det sparar betydande forskningstid eftersom en dator förutsäger möjligheten att syntetisera målföreningar och deras kemiska utbyten."

"AFIR-metoden är avgörande för att genomföra nästa generations organiska synteser, " säger Satoshi Maeda, som utarbetade metoden. "Vi förväntar oss att vår metod kommer att tillämpas för att effektivt producera finkemikalier, funktionella material, och att upptäcka nya läkemedel." Gruppen skapar en databas över vägar som hittats genom AFIR-metoden och hoppas kunna använda den med informationsforskare för att påskynda utvecklingen av nya kemiska reaktioner.