I naturen är organiska molekyler antingen vänster- eller högerhänta, men att syntetisera molekyler med en specifik "handedness" i ett labb är svårt att göra. Gör ett läkemedel eller enzym med fel "handedness", och det kommer bara inte att fungera. Nu kommer kemister vid University of California, Davis, närmare att efterlikna naturens kemiska effektivitet genom beräkningsmodellering och fysiska experiment.
I en studie som visas den 10 januari i Nature , professor Dean Tantillo, doktorander William DeSnoo och Croix Laconsay och kollegor vid Max Planck Institute i Tyskland rapporterar framgångsrik syntes av specifika kirala ("handed") molekyler med hjälp av omarrangemang av enkla kolväten i närvaro av komplexa organiska katalysatorer. De flesta biologiska föreningar, inklusive många receptbelagda läkemedel, är kirala.
Tantillo och kollegor hoppas att resultaten kommer att göra det möjligt för forskare att bättre utnyttja kolväten för en mängd olika ändamål, såsom prekursorer till läkemedel och material.
"Nyheten med detta papper är att det här verkligen är första gången, såvitt jag vet, som någon har kunnat få en kolsyraskifte som gör en av spegelbildsprodukterna snarare än den andra med hög selektivitet," sa Tantillo.
Inom kemi är kiralitet en egenskap som hänvisar till ett par molekyler som delar atomär makeup men är spegelbilder av varandra. Precis som dina vänstra och högra händer kan de inte läggas ovanpå varandra.
"Syntetiska kemister vill ofta göra molekyler som kommer i spegelbildsformer, men de vill bara ha en av dem," sa Tantillo. "Om du till exempel vill göra en läkemedelsmolekyl behöver du ofta en av de två kirala formerna för att binda selektivt till ett protein- eller enzymmål."
Att uppnå detta kan vara svårt i en labbmiljö eftersom sådana molekyler, enligt Tantillo, ofta är som "små bollar av fett med någon positiv laddning utsmetad runt dem."
Den feta karaktären hos dessa molekyler gör vanligtvis bindning av en kemisk katalysator i en orientering framför en annan svår på grund av bristen på laddade grupper för katalysatorn att ta tag i.
Men forskarna hittade en lösning. Med hjälp av en kiral organisk syra, imidodifosforimidat, som katalysator, genomförde teamet framgångsrikt omarrangemang av akirala alkenylcykloalkaner, vilket producerade kirala molekyler av intresse som kallas cykloalkener. Med hjälp av beräkningsmetoder drog Tantillo och kollegor slutsatsen hur katalysatorn selektivt producerar en kiral form framför den andra.
Tantillo sa att den resulterande reaktionen liknar hur enzymer som gör kolväteprodukter som kallas terpener beter sig i naturen. En del av Tantillos forskning handlar om att kartlägga terpenreaktionsvägar med hjälp av kvantmekaniska metoder.
"Om det finns flera möjliga vägar till en produkt, så har du varje gång du stannar vid en mellanprodukt på den vägen, möjligheten att få biprodukter som kommer från den mellanprodukten," sa han. "Så det är viktigt att veta när och varför en karbokatjon vill stoppa på vägen till en given terpen om man vill förstå och i slutändan omkonstruera terpenbildande enzymer."
Den nya metoden skulle i princip kunna utnyttjas för att producera både naturliga molekyler och icke-naturliga molekyler.
"Om dessa saker någonsin kommer att göras är svårt att säga, men petroleum är en källa till många kolväten, och om du katalytiskt kunde förvandla dem till molekyler med definierad kiralitet, har du ökat värdet på dessa molekyler," sa Tantillo .
Ytterligare medförfattare är:Vijay Wakchaure, Markus Leutzsch och Benjamin List, Max Planck Institut für Kohlenforschung, Mülheim an der Ruhr, Tyskland; och Nobuya Tsuji, Hokkaido University, Sapporo, Japan.
Mer information: Vijay N. Wakchaure et al, Katalytiska asymmetriska katjonskiftningar av alifatiska kolväten, Nature (2024). DOI:10.1038/s41586-023-06826-7
Journalinformation: Natur
Tillhandahålls av UC Davis
