Hokkaido University WPI-ICReDD-forskare utvecklade en modulär katalysator som exakt kan modifiera fettsyraderivat i en hittills otillgänglig position. Detta möjliggör effektiv produktion av värdefulla föreningar från en förnybar bioresurs, medan vi tidigare var tvungna att antingen förlita oss på petroleumbaserade resurser eller använda komplicerade och kostsamma metoder.

Många läkemedel och plast består av en ryggrad som i huvudsak är en kedja av kolatomer med modifieringar inom deras kolväteram. För deras produktion, fettsyror är attraktiva råvaror eftersom de är lättillgängliga, förnybara naturresurser som består av en kedja av kolatomer kopplade till en funktionell grupp som kallas karboxylgrupp. Dock, vår förmåga att modifiera dessa kedjor har hittills varit begränsad till kolatomer bara en eller två atomer från karboxylgruppen. Professor Masaya Sawamura vid Hokkaido University's Institute for Chemical Reaction Design and Discovery (WPI-ICReDD) förklarar, "De kemiska materialen som erhålls på detta sätt är begränsade till de med ganska enkla strukturer, och för att syntetisera användbara föreningar, flerstegsprocesser är nödvändiga. "

Utifrån tidigare studier, Sawamuras grupp konstruerade en katalysator som består av en iridiumatom i dess kärna och olika moduler som säkerställer att ett fettsyraderivat – fettsyraamid eller ester i detta fall – är exakt placerad på ett sådant sätt att CH-bindningen ligger tre kol ifrån karboxylgruppen är modifierad. Dessutom, medan varje CH-bindning i ett fettsyraderivat kan modifieras på två sätt, ger föreningar som är spegelbilder av varandra, katalysatorn som utvecklats av teamet producerar endast en av de två möjliga produkterna, vilket är en viktig egenskap speciellt för läkemedelsutveckling. För att öka bredden av möjliga ändringar ytterligare, forskarna försöker använda olika moduler i sin katalysator för att ändra hur substratet är placerat i katalysatorn för att tillåta olika modifieringar.

I deras artikel publicerad i Vetenskap , teamet visade att deras tillvägagångssätt fungerar med olika substrat och kan producera ett stort antal användbara derivat. Dessutom, de använde kvantkemiska beräkningar för att undersöka den exakta strukturen och funktionen hos deras katalysator som driver den observerade reaktiviteten och selektiviteten. Resultaten bekräftade att katalysatorn har en djup ficka som binder substratet genom interaktioner mellan en av dess underenheter och karbonylgruppen på substratet, och håller den på plats för att underlätta den specifika reaktionen - en egenskap som är analog med naturliga enzymer.

"Den modulära katalysatorn möjliggjorde platsselektiv modifiering av fettsyraamider och estrar, av vilka några är bioaktiva föreningar. Detta enkla, modul, och i stort sett tillämpligt katalytiskt system möjliggör införande av strukturell och kemisk komplexitet i kolvätekedjan av lättillgängliga råvarukemikalier, " säger Ronald Reyes från forskargruppen. Centralt för framgången för dessa ansträngningar är en kombination av experiment och beräkningar. Sawamura säger, "Ansamlingen av experimentell kunskap är en källa till stor inspiration, men med stöd av datorkemi kan vi förverkliga detta inom en snar framtid."