Химики из Корнелла разработали способ использования электрохимии — устойчивого метода — для создания хиральных молекул, которые существуют в виде зеркальных пар, подобно человеческим рукам. Хиральные молекулы, распространённые в фармацевтике, важно синтезировать правильно для обеспечения эффективности и безопасности.
«Многие молекулы лекарств являются хиральными — как наши руки, они выглядят похоже, но одна может быть очень эффективной при лечении болезни, в то время как другая может быть неактивной или даже ядовитой», — сказала Сонг Линь, профессор химии и химической биологии в Колледже искусств и наук (A&S). «Во многих случаях важно получить только одно из двух зеркальных изображений молекул в медицинской химии».
В некоторых лекарствах, таких как обезболивающее ибупрофен, одна сторона хиральной молекулы активна и эффективна, в то время как другая (называемая её энантиомером) присутствует, но безвредна, сказал Линь. В многих других препаратах активную сторону зеркалит токсичный энантиомер, который необходимо устранить, что делает синтез хиральных молекул важной задачей в органической химии.
Работа над асимметрическим катализом — использованием хиральных катализаторов в растворе для индуцирования хиральности — принесла Нобелевские премии в 2001 и 2021 годах.
В статье «Dynamic Kinetic Resolution of Phosphines with Chiral Supporting Electrolytes», опубликованной в Nature, Линь и её соавторы описывают, как они используют электрохимию для селективного синтеза хиральных соединений. Они используют электролиты реакции для создания хиральной среды — совершенно новой стратегии для индуцирования хиральности в электрохимии.
Хотя электрохимия, которой занимается лаборатория Линя, имеет явные экологические преимущества, она редко используется для создания хиральных молекул из-за проблем на границе раздела твёрдого электрода, изготовленного из металла или углерода, и жидкого раствора. Исследователи из Корнелла преодолели эту проблему, придав хиральную форму реакции с помощью электролитов, обычно являющихся фоновым элементом.
«Поддерживающие электролиты — это соли, добавляемые в эксперименты просто для того, чтобы убедиться, что раствор проводит ток, — сказал Линь. — Обычно они не играют явной роли в реакции. Но в этой работе мы используем электролиты для взаимодействия с электрохимически генерируемыми молекулами посредством простых электростатических взаимодействий, так что образуется только один из двух зеркальных продуктов, желаемый энантиомер».
Поскольку электролит всегда присутствует на границе раздела, по словам Линя, этот метод теоретически может быть применён ко многим различным типам электрохимических реакций, включая создание молекул лекарств.
Хиральные молекулы распространены в лекарствах, потому что хиральность распространена в природе — от спиралевидных лоз и раковин до аминокислот и различных белков, а также белковых рецепторов в организме человека, места взаимодействия лекарств.
«Люди состоят из хиральных молекул, — сказал Линь. — Поскольку ваши белковые рецепторы являются хиральными, они будут взаимодействовать с хиральными молекулами по-разному».
Исследователи сотрудничали с лабораторией в Браунском университете, чтобы наблюдать за реакцией на молекулярном уровне с помощью моделирования молекулярной динамики — передового вычислительного метода.
«Хорошо известно, что ионы в поддерживающем электролите (например, соли), которые вы растворяете в растворе, становятся ещё более концентрированными вблизи поверхности электрода с противоположным зарядом», — сказала Юэ Ци, профессор инженерии в Браунском университете. «Таким образом, у вас получается ещё более высокая концентрация хирального индуктора вблизи поверхности электрода, что сделает электрохимическую реакцию более эффективной».
Это сотрудничество было организовано Центром синтетической органической электрохимии Национального научного фонда. Соавторы планируют изучить механизм более подробно, чтобы понять, как именно он работает. Они также хотят исследовать, какие ещё типы молекул они могут создать с помощью хиральных поддерживающих электролитов.
«Я думаю, что эта технология может в будущем использоваться в промышленности, но переход от академического открытия к промышленному применению всегда занимает много времени, — сказал Линь. — Важно, чтобы Национальный научный фонд поддерживал фундаментальные исследования. Это позволяет нам открывать что-то, что может быть не сразу полезно, но может сыграть большую роль в долгосрочной перспективе».
Предоставлено Корнелльским университетом.