Kredit:CC0 Public Domain
Trots att de är några av de mest mångsidiga byggstenarna inom organisk kemi kan föreningar som kallas karbener vara för varma att hantera. I labbet undviker kemister ofta att använda dessa mycket reaktiva molekyler på grund av hur explosiva de kan vara.
Ändå i en ny studie, publicerad idag i tidskriften Science , forskare från Ohio State University rapporterar om en ny, säkrare metod för att förvandla dessa kortlivade högenergimolekyler till mycket mer stabila.
"Karbener har en otrolig mängd energi i dem", säger David Nagib, medförfattare till studien och professor i kemi och biokemi vid Ohio State. "Värdet av det är att de kan göra kemi som du bara inte kan göra på något annat sätt."
Faktum är att medlemmar av Nagib Lab är specialiserade på att utnyttja reagenser med så hög kemisk energi och har hjälpt till att uppfinna en mängd nya ämnen och tekniker som annars skulle vara kemiskt omöjliga.
I den här studien utvecklade forskarna katalysatorer gjorda av billiga metaller med mycket jord, som järn, koppar och kobolt, och kombinerade dem för att underlätta deras nya metod för att utnyttja karben.
De kunde framgångsrikt använda denna nya strategi för att kanalisera kraften hos reaktiva karbener för att tillverka värdefulla molekyler i större skala och mycket snabbare än traditionella metoder. Nagib jämförde detta språng med ingenjörer som kom på hur man använder stål för att bygga skyskrapor istället för tegel och murbruk.
Till exempel, en molekylär egenskap som kemister har varit hårt pressade att skapa är cyklopropan, en liten, ansträngd ring av vridna kemiska bindningar som finns i vissa läkemedel. På senare tid har cyklopropan använts som en nyckelingrediens i det orala antivirala pillret som heter Paxlovid. Används för att behandla covid-19, p-piller minskar svårighetsgraden av sjukdomen genom att stoppa viruset från att replikera, snarare än att döda det direkt.
Även om cyklopropanen som behövs för att tillverka läkemedlet har varit svårt att skapa i stora mängder, sa Nagib att han tror att hans labbs nya metod skulle kunna tillämpas för att skapa läkemedlet snabbare och i större skala. "Vår nya metod kommer att möjliggöra bättre tillgång till dussintals typer av cyklopropaner för inkorporering i alla typer av läkemedel för att behandla sjukdomar", sa han.
Medan teamets forskning har potentiella tillämpningar utanför läkemedelsområdet, som jordbrukskemikalier, sa Nagib att han brinner mest för hur deras verktyg kan påskynda upptäckten av nya, riktade läkemedel. "Man skulle tekniskt kunna tillämpa våra metoder på vad som helst", sa han. "Men i vårt labb är vi mer intresserade av att få tillgång till nya typer av mer potenta läkemedel."
Nagib förutspår att med den process som hans team utvecklade, skulle ett kemiskt reagens som för närvarande tar 10 eller 12 steg att göra (med explosiva intermediärer) kunna göras på fyra eller fem, vilket slår bort nästan 75 % av tiden det tar att tillverka.
Sammantaget sa Nagib att han hoppas att denna forskning kommer att hjälpa andra kemister att göra sitt arbete.
"Det finns massor av riktigt bra forskare runt om i världen som gör den här typen av kemi och med vårt verktyg kan de potentiellt ha ett säkrare labb," sa Nagib. "Smaken av vetenskap som vi gör, den mest tillfredsställande belöningen är när andra människor använder våra kemiska metoder för att göra viktiga molekyler bättre."
Andra medförfattare var Lumin Zhang, en före detta postdoktor, samt Bethany M. DeMuynck, Alyson N. Paneque och Joy E. Rutherford, alla doktorander vid avdelningen för kemi och biokemi och medlemmar av Nagib Lab. + Utforska vidare
