Et kort over reaktioner hjælper med at kontrollere molekylære egenskaber

Kemiske reaktioner bruges til at producere alle slags vigtige molekyler såsom lægemidler, landbrugskemikalier og materialer.

At skabe et lægemiddel med specifikke egenskaber - polært nok til at opløses i det vandige miljø i maven og blodet, men fedtet nok til at passere gennem celler eller krydse blod-hjerne-barrieren - kemikere skifter normalt udgangsmaterialerne ud.

Nu, en undersøgelse fra University of Michigan har vist, at det er muligt at ændre molekylers egenskaber ved at modificere reaktionsbetingelserne i stedet, potentielt strømline måden, hvorpå lægemidler og andre nyttige forbindelser opdages. Værket er udgivet i Natur .

"Forestil dig en kasse med legoklodser. Grib to vilkårlige og klik dem sammen. Måske får du en rød og en blå, eller en sort og en gul. Men hvis du kun havde to legoklodser, du kan stadig klikke dem sammen på mange måder for at få forskellige former. Billede, hvor du klikker to legoklodser sammen ved hjælp af to divoter, fire divots, eller en divot. Du får forskellige former, " sagde hovedforfatter Tim Cernak, U-M adjunkt i kemi og medicinsk kemi.

Cernaks team forsøger at gøre det samme med molekyler. Typisk, kemikere søger efter atomer med specifikke egenskaber for at bygge molekyler med de ønskede resultater. I stedet, U-M-teamet foreslår at bruge forskellige reaktionsbetingelser til at lave molekyler med forskellige former og forskellige egenskaber.

"Ved at kortlægge alle de mulige reaktioner, vi har afsløret, at der er en helt ny akse at overveje, når man ændrer et molekyles egenskaber, " sagde Cernak.

Femogtyve procent af de reaktioner, der bruges til at opdage lægemidler, samler en amin og en carboxylsyre for at danne en amidbinding. Disse bindinger dannes ved at koble den basiske aminforbindelse med en carboxylsyre. Nu, U-M-teamet har vist, at tilpasning af den måde, en amin og en carboxylsyre er forbundet på, kan resultere i hundredvis af andre måder at klikke de to udgangsmaterialer sammen på, hver producerer et nyt molekyle med forskellige egenskaber.

Dette betyder, at ved at variere katalysatoren og reagenset, der snapper aminen og carboxylsyren sammen, kemikere kan konstruere de egenskaber, som forbindelsen vil vise. Cernaks laboratorium viser, at denne metode kan producere molekyler, der er sure, grundlæggende, lipofile eller hydrofile, alle initieret fra de samme to udgangsmaterialer, men under anvendelse af forskellige reaktionsbetingelser.

"Hvis vi taler om lægemidler, disse ændringer i egenskaber kan være forskellen mellem et molekyle, der distribueres til hjernen, og et molekyle, der går til leveren, " sagde Cernak. "Det er præcis, hvad stofjægere gør:de ændrer atomerne bare en lille smule for at modulere egenskaberne af molekyler. Det gøres altid ved at gå hen til legokassen og få fat i forskellige legostykker.

"Hvad nu hvis du kunne gøre alt det med kun to stykker Lego ved blot at bruge forskellige katalysatorer til at snappe dem sammen på forskellige måder? Det tilføjer en ny dimension til kemisk rumudforskning."

For eksempel, hvis du decarboxylerer carboxylsyren i stedet for at danne en amidbinding, du danner en kulstof-nitrogenbinding. Hvis du fjerner aminen, du danner en kulstof-iltbinding. Hvis du samtidig fjerner aminen og decarboxylerer carboxylsyren, du kan lave en kulstof-kulstofbinding.

"Vi viser, at du kan få adgang til kulstof-nitrogen, carbon-oxygen og carbon-carbon bindinger fra de samme to udgangsmaterialer blot ved at variere reaktionsbetingelserne, " sagde Cernak. "Opdagelsen, der holder mig vågen om natten, er, at der er hundredvis af andre reaktioner, som vi endnu ikke har indset. Der er så mange muligheder i disse hundredvis af nye reaktioner, som bare venter på at blive opfundet."

Undersøgelsen giver også en beregningsramme til at opfinde nye reaktioner ved hjælp af en hurtig reaktionsscreeningsteknik udviklet af Cernak.

"Vi udvikler en grænseflade mellem kemisk syntese og datavidenskab, " han sagde.