Ny computer-assisteret kemisk syntesemetode reducerer forskningstid og omkostninger

Hokkaido University forskere er lykkedes med at syntetisere en α, α-difluoroglycin-derivat, en type α-aminosyre, baseret på en reaktionssti forudsagt af kvantekemiske beregninger. Denne nye metode, kombinerer eksperimentel kemi og beregningskemi, kunne forny udviklingen af ​​nye kemiske reaktioner.

Ud over at være de grundlæggende bestanddele af peptider og proteiner i vores krop, α-aminosyrer er afgørende for vores daglige liv. De bruges til kosttilskud, tilsætningsstoffer til fødevarer og mange andre produkter. Selvom naturlige a-aminosyrer kan syntetiseres billigt gennem konventionelle gæringsprocesser, ikke-naturlige α-aminosyrer, som kunne tilføre nye egenskaber til peptider og proteiner, er generelt fremstillet gennem kemiske synteser.

I den aktuelle undersøgelse offentliggjort i Kemisk videnskab , en gruppe forskere ved universitetets Institute for Chemical Reaction Design and Discovery (WPI-ICReDD) fokuseret på den kemiske syntese af α, α-difluoroglycin, en ikke-naturlig fluoreret a-aminosyre, hvilket kunne forbedre molekylets metaboliske stabilitet og biologiske aktivitet. Imidlertid, en effektiv syntesemetode for aminosyren har været undvigende.

Design af nye reaktioner baseret på konventionel organisk syntese kræver mange forsøg og fejl i eksperimenter og indsigt fra ekspertkemikere. Følgelig, en enorm mængde tid og penge har været påkrævet for at udvikle en innovativ reaktion.

For at overvinde dette problem, WPI-ICReDD, universitetets nye forskningsknudepunkt, vedtog sin kerneteknologi kaldet Artificial Force Induced Reaction (AFIR) metode. AFIR er en beregningsmetode, der anvender virtuelle intermolekylære eller intramolekylære kræfter til at udføre systematisk søgning efter kemiske reaktionsveje. Gruppen anvendte AFIR-metoden til at udføre såkaldt retrosyntetisk analyse, der anvender kvantekemiske beregninger til at finde nedbrydningsveje for et ønsket produkt, inden de foreslår syntetiske veje på en omvendt måde.

De søgte efter nedbrydningsveje for α, α-difluoroglycin og udvalgt en gruppe omfattende tre basale og simple forbindelser-amin, difluorocarben, og kuldioxid. Deres beregning forudsagde, at disse tre forbindelser er i stand til at producere målforbindelsen med et udbytte på 99,99%.

Efter at have finjusteret forskellige reaktionsbetingelser, de eksperimentelle kemikere syntetiserede med succes en α, a-difluoroglycin-derivat i 80% udbytte. "Vi undlod først at skaffe målproduktet, men vi var stadig overbeviste om, at syntesen var vellykket, fordi den beregningsmæssige forudsigelse var så konkret. Det opmuntrede os til at fortsætte, "siger Tsuyoshi Mita fra gruppen." Det tog kun to måneder at opnå syntesen, hvilket er betydeligt hurtigere end en typisk udviklingsproces. Det sparer betydelig forskningstid, fordi en computer forudsiger muligheden for at syntetisere målforbindelser og deres kemiske udbytte. "

"AFIR-metoden er med til at udføre næste generations organiske synteser, "siger Satoshi Maeda, der udtænkte metoden. "Vi forventer, at vores metode vil blive anvendt til effektivt at producere fine kemikalier, funktionelle materialer, og opdager nye lægemidler. "Gruppen er ved at lave en database over veje fundet gennem AFIR -metoden og håber at kunne bruge den sammen med informationsforskere til at fremskynde udviklingen af ​​nye kemiske reaktioner.