Billig, miljøvenlig katalysator åbner nye muligheder for organiske molekyler bygget af pyruvat

Kemikere ved Okinawa Institute of Science and Technology Graduate University (OIST) har udviklet en organisk katalysator, der kan drive reaktioner ved hjælp af pyruvat - et nøglebiomolekyle i mange metaboliske veje - som er vanskelige og komplicerede at opnå ved hjælp af konventionelle industrielle teknikker.

Forskningen er for nylig offentliggjort i Organic Letters , er et vigtigt skridt i retning af at forenkle produktionsprocessen og øge rækken af ​​molekyler, der kan bygges ud fra pyruvat, såsom aminosyrer eller glykolsyrer, som bruges i lægemiddelforskning og medicin.

"Katalysatorer, stoffer, der kontrollerer og accelererer kemiske reaktioner uden at blive inkluderet i de endelige produkter, er afgørende værktøjer for kemikere," sagde Santanu Mondal, en Ph.D. kandidat i Chemistry and Chemical Bioengineering Unit ved OIST og førsteforfatter af undersøgelsen. "Og især organiske katalysatorer skal revolutionere industrien og gøre kemi mere bæredygtig."

I øjeblikket bruges metalkatalysatorer i industrien, som ofte er dyre at skaffe og producere farligt affald. Metalkatalysatorer reagerer også let med luft og vand, hvilket gør dem vanskelige at opbevare og håndtere. Men organiske katalysatorer er dannet af almindelige grundstoffer, såsom kulstof, brint, oxygen og nitrogen, så de er meget billigere, sikrere og mere miljøvenlige.

"Ud over disse fordele fremmer vores nyudviklede organiske katalysatorsystem også reaktioner ved hjælp af pyruvat, som ikke er let opnåelige ved brug af metalkatalysatorer," tilføjede Santanu.

I alle kemiske reaktioner, fortsatte han med at forklare, kan molekyler reagere ved enten at afgive elektroner eller modtage dem. Pyruvat er meget bedre til at modtage elektroner, når det reagerer og bruges typisk på denne måde i industrien, til at producere organiske alkoholer og opløsningsmidler. Men i vores kroppe kan proteinkatalysatorer kaldet enzymer drive reaktioner, hvor pyruvat donerer elektroner til at producere molekyler som fedtsyrer og aminosyrer.

Ved at hente inspiration fra disse enzymer designede forskerne et katalysatorsystem lavet af to små organiske molekyler, en syre og en amin, der tvinger pyruvat til at fungere som en elektrondonor.

I reaktionen binder aminen sig til pyruvat og danner et mellemmolekyle. Syren dækker derefter en del af det mellemliggende molekyle, mens den efterlader en anden del, som kan donere elektroner, fri til at reagere og danne et nyt produkt.

Det er vigtigt, at katalysatorsystemet er meget selektivt med hensyn til, hvilken form af produktet det vil fremstille. Ligesom vores hænder er mange biomolekyler asymmetriske og kan eksistere i to former, der er spejlbilleder af hinanden. Disse molekyler ligner hinanden, men har ofte forskellige egenskaber.

"Organiske katalysatorer kan designes på en måde, så der ved slutningen af ​​reaktionen kun laves en af ​​disse spejlbilleder," sagde Santanu. "Dette er især gavnligt i den farmaceutiske industri, hvor en af ​​formerne kan være en effektiv behandling, men den anden form kan være giftig."

Til pyruvatreaktionerne var forskerne i stand til selektivt at vælge, hvilken af ​​de to spejlbilledeformer af slutproduktet, der skulle laves, ved at ændre, hvilken spejlbilledeform af aminen, der blev brugt til at katalysere reaktionen.

I øjeblikket fungerer det organiske katalysatorsystem kun, når pyruvat reagerer med en specifik klasse af organiske molekyler, kaldet cykliske iminer. Men i sidste ende drømmer forskerholdet om at skabe en næste generations katalysator for pyruvat, der er universel, hvilket betyder, at den kan fremskynde reaktioner mellem pyruvat og en bred vifte af organiske molekyler.

"Med en universel katalysator ville kemikere nemt være i stand til at lave en række forskellige produkter fra pyruvat i begge spejlbilleder," sagde Santanu. "Dette ville have mange betydningsfulde konsekvenser for samfundet, såsom at fremskynde udviklingen af ​​nye lægemidler." + Udforsk yderligere

At forme fremtidens katalysatorer