Wetenschappers van Hokkaido University zijn erin geslaagd een te synthetiseren, α-difluorglycinederivaat, een type -aminozuur, gebaseerd op een reactiepad voorspeld door kwantumchemische berekeningen. Deze nieuwe methode, een combinatie van experimentele chemie en computationele chemie, zou de ontwikkeling van nieuwe chemische reacties kunnen innoveren.

Naast de basisbestanddelen van peptiden en eiwitten in ons lichaam, α-aminozuren zijn essentieel voor ons dagelijks leven. Ze worden gebruikt voor voedingssupplementen, levensmiddelenadditieven en vele andere producten. Hoewel natuurlijke α-aminozuren goedkoop kunnen worden gesynthetiseerd via conventionele fermentatieprocessen, niet-natuurlijke -aminozuren, die nieuwe eigenschappen kunnen toevoegen aan peptiden en eiwitten, worden over het algemeen gemaakt door middel van chemische syntheses.

In de huidige studie gepubliceerd in Chemische Wetenschappen , een groep wetenschappers van het Institute for Chemical Reaction Design and Discovery (WPI-ICReDD) van de universiteit richtte zich op de chemische synthese van α, α-difluorglycine, een niet-natuurlijk gefluoreerd α-aminozuur, wat de metabolische stabiliteit en biologische activiteit van het molecuul zou kunnen verbeteren. Echter, een effectieve synthesemethode voor het aminozuur was ongrijpbaar.

Het ontwerpen van nieuwe reacties op basis van conventionele organische synthese vereist talrijke proeven en fouten in experimenten en de inzichten van deskundige chemici. Bijgevolg, er is enorm veel tijd en geld nodig geweest om een ​​innovatieve reactie te ontwikkelen.

Om dit probleem op te lossen, WPI-ICReDD, het nieuwe onderzoekscentrum van de universiteit, heeft zijn kerntechnologie aangenomen, de zogenaamde Artificial Force Induced Reaction (AFIR) -methode. De AFIR is een computationele methode die virtuele intermoleculaire of intramoleculaire krachten toepast om systematisch naar chemische reactiepaden te zoeken. De groep paste de AFIR-methode toe om zogenaamde retrosynthetische analyse uit te voeren, waarbij kwantumchemische berekeningen worden gebruikt om de ontbindingspaden van een gewenst product te vinden voordat synthetische routes op een omgekeerde manier worden voorgesteld.

Ze zochten naar decompositieroutes van α, α-difluorglycine en selecteerde een groep met drie basische en eenvoudige verbindingen:amine, difluorcarbeen, en kooldioxide. Hun berekening voorspelde dat deze drie verbindingen in staat zijn om de doelverbinding te produceren met een opbrengst van 99,99%.

Na verschillende reactieomstandigheden te hebben verfijnd, de experimentele chemici hebben met succes een gesynthetiseerd, α-difluorglycinederivaat met een opbrengst van 80%. "We slaagden er eerst niet in om het doelproduct te verkrijgen, maar we waren er nog steeds van overtuigd dat de synthese succesvol was omdat de computationele voorspelling zo concreet was. Het moedigde ons aan om door te gaan, " zegt Tsuyoshi Mita van de groep. "Het duurde slechts twee maanden om de synthese te bereiken, wat aanzienlijk sneller is dan een typisch ontwikkelingsproces. Het bespaart aanzienlijke onderzoekstijd omdat een computer de haalbaarheid voorspelt van het synthetiseren van doelverbindingen en hun chemische opbrengsten."

"De AFIR-methode is instrumenteel bij het uitvoeren van organische syntheses van de volgende generatie, " zegt Satoshi Maeda, die de methode heeft bedacht. "We verwachten dat onze methode zal worden toegepast voor het effectief produceren van fijnchemicaliën, functionele materialen, en het ontdekken van nieuwe medicijnen." De groep maakt een database van paden die zijn gevonden via de AFIR-methode en hoopt deze samen met informatiewetenschappers te gebruiken om de ontwikkeling van nieuwe chemische reacties te versnellen.