Współpraca chemiczna doprowadziła do kreatywnego sposobu wykorzystania dwutlenku węgla do dobrego – a nawet zdrowego – wykorzystania: poprzez włączenie go, poprzez elektrosyntezę, do szeregu cząsteczek organicznych, które są niezbędne do rozwoju farmaceutycznego.
W trakcie tego procesu zespół dokonał innowacyjnego odkrycia. Zmieniając typ reaktora elektrochemicznego, mogliby wytwarzać dwa zupełnie różne produkty, z których oba są przydatne w chemii medycznej.
Artykuł zespołu „Electrochemical Reactor Dictates Site Selectivity in N-Heteroarene Carboxylations” został opublikowany 5 stycznia w Nature. Współprowadzącymi autorami artykułu są badacze z tytułem doktora Peng Yu i Wen Zhang oraz Guo-Quan Sun z Sichuan University w Chinach.
Zespół Cornell, kierowany przez Song Lina, profesora chemii i biologii chemicznej w College of Arts and Sciences, wcześniej wykorzystywał proces elektrochemii do łączenia prostych cząsteczek węgla i tworzenia złożonych związków, eliminując potrzebę stosowania metali szlachetnych lub innych katalizatorów w celu promowania reakcji chemicznej.
W przypadku nowego projektu skupili się na bardziej konkretnym celu: pirydynie, drugim najczęściej występującym heterocyklu w lekach zatwierdzonych przez FDA. Heterocyle to związki organiczne, w których atomy cząsteczek są połączone w struktury pierścieniowe, z których przynajmniej jeden nie jest węglem. Te jednostki strukturalne są uważane za „farmakofory” ze względu na ich częstą obecność w związkach aktywnych leczniczo. Są również powszechnie spotykane w agrochemikaliach.
Celem badaczy było wytworzenie karboksylowanych pirydyn, tj. pirydyn z przyłączonym do nich dwutlenkiem węgla. Zaletą wprowadzenia dwutlenku węgla do pierścienia pirydynowego jest to, że może on zmienić funkcjonalność cząsteczki i potencjalnie pomóc jej związać się z określonymi celami, takimi jak białka. Jednak te dwie cząsteczki nie są naturalnymi partnerami. Pirydyna jest cząsteczką reaktywną, podczas gdy dwutlenek węgla jest na ogół obojętny.
“Istnieje bardzo niewiele sposobów bezpośredniego wprowadzenia dwutlenku węgla do pirydyny” – powiedział Lin, starszy autor artykułu, wraz z Da-Gang Yu z Sichuan University. „Obecne metody mają bardzo poważne ograniczenia”.
Laboratorium Lina połączyło swoją wiedzę w dziedzinie elektrochemii ze specjalizacją grupy Yu w wykorzystaniu dwutlenku węgla w syntezie organicznej i udało im się z powodzeniem stworzyć karboksylowane pirydyny.
„Elektrochemia daje taką dźwignię, aby wybrać potencjał wystarczający do aktywacji nawet niektórych najbardziej obojętnych cząsteczek” – powiedział Lin. „W ten sposób udało nam się osiągnąć tę reakcję”.
Nieoczekiwane odkrycie zespołu nastąpiło podczas przeprowadzania elektrosyntezy. Chemicy zazwyczaj przeprowadzają reakcję elektrochemiczną na jeden z dwóch sposobów: w niepodzielonym ogniwie elektrochemicznym (w którym anoda i katoda dostarczające prąd elektryczny znajdują się w tym samym roztworze) lub w podzielonym ogniwie elektrochemicznym (w którym anoda i katoda są oddzielone przez porowaty rozdzielacz, który blokuje duże cząsteczki organiczne, ale przepuszcza jony). Jedno podejście może być bardziej wydajne niż inne, ale oba dają ten sam produkt.
Grupa Lina odkryła, że przechodząc z komórki podzielonej na niepodzielną, mogą selektywnie przyłączać cząsteczkę dwutlenku węgla w różnych pozycjach pierścienia pirydyny, tworząc dwa różne produkty: karboksylację C4 w niepodzielonej komórce i karboksylację C5 w podzielonej komórce.
„Po raz pierwszy odkryliśmy, że po prostu zmieniając ogniwo, które nazywamy reaktorem elektrochemicznym, całkowicie zmieniasz produkt” – powiedział Lin. „Myślę, że mechanistyczne zrozumienie, dlaczego tak się stało, pozwoli nam nadal stosować tę samą strategię do innych cząsteczek, nie tylko pirydyn, i być może tworzyć inne cząsteczki w ten selektywny, ale kontrolowany sposób. Myślę, że jest to ogólna zasada, którą można uogólnić do innych systemów”.
Chociaż forma wykorzystania dwutlenku węgla w projekcie nie rozwiąże globalnego wyzwania związanego ze zmianami klimatycznymi, Lin powiedział, że „jest to mały krok w kierunku wykorzystania nadmiernej ilości dwutlenku węgla w użyteczny sposób”.
Współautorami byli badacz ze stopniem doktora Yi Wang i doktorant Zhipeng Lu; i naukowców z Uniwersytetu Syczuańskiego.
Badania Cornell były wspierane przez National Institute of General Medical Sciences, Eli Lilly, Cornell i Sloan Foundation.
Źródło historii:
Materiały dostarczone przez Uniwersytet Cornella. Oryginał napisany przez Davida Nutta, dzięki uprzejmości Cornell Chronicle. Uwaga: treść może być edytowana pod kątem stylu i długości.