Wetenschap
Een eenvoudige, goedkope manier om koolstofatomen aan elkaar te binden
Het actieve ingrediënt in veel medicijnen is een zogenaamd klein molecuul:groter dan water, veel kleiner dan een antilichaam en voornamelijk gemaakt van koolstof. Het is echter lastig om deze moleculen te maken als ze een quaternair koolstofatoom nodig hebben:een koolstofatoom gebonden aan vier andere koolstofatomen. Maar nu hebben wetenschappers van Scripps Research een potentieel kosteneffectieve manier ontdekt om deze lastige motieven te produceren.
In de nieuwe bevindingen, die zijn gepubliceerd in Science op 5 april 2024 laten scheikundigen van Scripps Research zien dat het mogelijk is om grondstofchemicaliën om te zetten in quaternaire koolstofatomen met behulp van een enkele, goedkope ijzerkatalysator. Deze methode zou medicijnontwikkelaars ten goede kunnen komen door moleculen goedkoper te maken en gemakkelijker te produceren op kleine en grote schaal.
"Quartaire koolstofatomen zijn alomtegenwoordig in verschillende onderzoeksgebieden - van de ontdekking van geneesmiddelen tot de materiaalwetenschap", zegt co-eerste auteur Nathan Dao, een Ph.D. kandidaat bij Scripps Research. "De synthese van quaternaire koolstofatomen is echter al lang een uitdaging op het gebied van de organische chemie, waarbij doorgaans talloze stappen nodig zijn en afhankelijk is van zware omstandigheden of minder toegankelijke uitgangsmaterialen."
Naast Dao waren de eerste co-auteurs van het onderzoek ook Xu-Cheng Gan en Benxiang Zhang.
Katalysatoren zijn stoffen die worden gebruikt om de snelheid van een chemische reactie te versnellen. Soms zijn er meerdere verschillende katalysatoren nodig om een bepaalde reactie te bevorderen en het gewenste resultaat te verkrijgen:een ware ‘reactiesoep’. Maar katalysatoren kunnen erg duur zijn en reageren niet altijd zoals bedoeld. En hoe meer katalysatoren er worden gebruikt, hoe meer afval er wordt geproduceerd. Maar de wetenschappers van Scripps Research stelden vast dat één enkele katalysator meerdere cruciale rollen kon vervullen.
"Een moeilijke chemische reactie vereist vaak veel op elkaar inwerkende componenten", aldus co-senior auteur Ryan Shenvi, Ph.D., professor aan de afdeling Scheikunde van Scripps Research. "Een voordeel van dit werk is dat het ongelooflijk eenvoudig is."
Het team identificeerde eenvoudige omstandigheden om carbonzuren en olefinen, twee belangrijke klassen van chemische grondstoffen – of grondstoffen die een machine of industrieel proces van brandstof voorzien – om te zetten in quaternaire koolstofatomen door gebruik te maken van een goedkope op ijzer gebaseerde katalysator. Bovendien zijn deze chemische grondstoffen niet alleen overvloedig aanwezig, maar ook nog eens goedkoop.
"Gelijkaardige reacties winnen de laatste tijd aan kracht, dus deze ontdekking was onvermijdelijk", legt Shenvi uit. "De stukken stonden al in de literatuur, maar niemand had ze eerder samengevoegd."
Over het geheel genomen benadrukt de studie, die werd uitgevoerd in samenwerking met het laboratorium van senior co-auteur Phil Baran, Ph.D., de Dr. Richard A. Lerner Endowed Chair bij de afdeling Scheikunde van Scripps Research, de voortdurende rol van chemie in de ontwikkeling van moderne technologie en farmaceutische producten.
"Dit werk is opnieuw een opvallende demonstratie van de kracht van de samenwerkingssfeer bij Scripps Research om nieuwe transformaties aan het licht te brengen die een dramatische impact kunnen hebben op het vereenvoudigen van de praktijk van organische synthese", voegt Baran toe.
Naast Gan, Zhang, Dao, Baran en Shenvi zijn de auteurs van de studie "Carbon quaternization of redox active esters and olefins by decarboxylative coupled" Cheng Bi, Maithili Pokle, Liyan Kan en Yu Kawamata van Scripps Research; Michael R. Collins van Pfizer Pharmaceuticals; Chet C. Tirol van Pfizer Medicine Design; en Philippe N. Bolduc en Michael Nicastri van Biogen Inc.