Chemische reacties worden gebruikt om allerlei belangrijke moleculen te produceren, zoals medicijnen, landbouwchemicaliën en materialen.

Om een ​​medicijn te maken met specifieke eigenschappen - polair genoeg om op te lossen in de waterige omgeving van de maag en het bloed, maar vet genoeg om door cellen te gaan of de bloed-hersenbarrière te passeren - scheikundigen wisselen meestal de uitgangsmaterialen uit.

Nutsvoorzieningen, een studie van de Universiteit van Michigan heeft aangetoond dat het mogelijk is om de eigenschappen van moleculen te veranderen door in plaats daarvan de reactieomstandigheden aan te passen, mogelijk stroomlijnen van de manier waarop drugs en andere nuttige verbindingen worden ontdekt. Het werk is gepubliceerd in Natuur .

"Stel je een doos met Legoblokjes voor. Pak er twee en klik ze samen. Misschien krijg je een rode en een blauwe, of een zwarte en een gele. Maar als je maar twee Legoblokjes had, je zou ze nog steeds op veel manieren aan elkaar kunnen klikken om verschillende vormen te krijgen. Foto twee Lego-blokken aan elkaar klikken met behulp van twee divots, vier divots, of een div. Je krijgt verschillende vormen, " zei hoofdauteur Tim Cernak, U-M assistent-professor scheikunde en medicinale chemie.

Cernaks team probeert hetzelfde te doen met moleculen. Typisch, scheikundigen zoeken naar atomen met specifieke eigenschappen om moleculen te bouwen met de gewenste resultaten. In plaats daarvan, het U-M-team stelt voor om verschillende reactieomstandigheden te gebruiken om moleculen te maken met verschillende vormen en verschillende eigenschappen.

"Door alle mogelijke reacties in kaart te brengen, we hebben ontdekt dat er een volledig nieuwe as is om te overwegen bij het veranderen van de eigenschappen van een molecuul, ' zei Cernak.

Vijfentwintig procent van de reacties die worden gebruikt bij het ontdekken van geneesmiddelen, brengt een amine en een carbonzuur samen om een ​​amidebinding te vormen. Deze bindingen worden gevormd door de basische amineverbinding te koppelen met een carbonzuur. Nutsvoorzieningen, het U-M-team heeft aangetoond dat het aanpassen van de manier waarop een amine en een carbonzuur zijn verbonden, kan resulteren in honderden andere manieren om de twee uitgangsmaterialen aan elkaar te klikken, elk produceert een nieuw molecuul met verschillende eigenschappen.

Dit betekent dat door de katalysator en het reagens te variëren die het amine en het carbonzuur aan elkaar klikken, scheikundigen kunnen de eigenschappen ontwikkelen die de verbinding zal vertonen. Cernak's laboratorium laat zien dat deze methode moleculen kan produceren die zuur zijn, basis, lipofiel of hydrofiel, alle initiërend van dezelfde twee uitgangsmaterialen maar met verschillende reactieomstandigheden.

"Als we het over geneesmiddelen hebben, deze veranderingen in eigenschappen kunnen het verschil zijn tussen een molecuul dat naar de hersenen wordt gedistribueerd en een molecuul dat naar de lever gaat, "Zei Cernak. "Dit is precies wat drugsjagers doen:ze veranderen de atomen een klein beetje om de eigenschappen van moleculen te moduleren. Dat doe je altijd door naar de Lego-doos te gaan en verschillende stukjes Lego te pakken.

"Wat als je dat allemaal zou kunnen doen met slechts twee stukjes Lego door simpelweg verschillende katalysatoren te gebruiken om ze op verschillende manieren aan elkaar te klikken? Het voegt een nieuwe dimensie toe aan chemische verkenning van de ruimte."

Bijvoorbeeld, als u het carbonzuur decarboxyleert in plaats van een amidebinding te vormen, je vormt een koolstof-stikstofbinding. Als je de amine verwijdert, je vormt een koolstof-zuurstofbinding. Als je tegelijkertijd het amine verwijdert en het carbonzuur decarboxyleert, je kunt een koolstof-koolstofbinding maken.

"We laten zien dat je toegang hebt tot koolstofstikstof, koolstof-zuurstof- en koolstof-koolstofbindingen van dezelfde twee uitgangsmaterialen alleen door verschillende reactieomstandigheden, "Zei Cernak. "De ontdekking die me 's nachts wakker houdt, is dat er honderden andere reacties zijn die we nog niet hebben gerealiseerd. Er zijn zoveel kansen in deze honderden nieuwe reacties die wachten om uitgevonden te worden."

De studie biedt ook een computationeel raamwerk om nieuwe reacties te bedenken met behulp van een snelle reactiescreeningtechniek die is ontwikkeld door Cernak.

"We ontwikkelen een interface van chemische synthese en datawetenschap, " hij zei.