Исследование является небольшим шагом к использованию избыточного углекислого газа в практических целях.
Результатом совместных усилий в области химии стал инновационный метод положительного – даже полезного – использования углекислого газа: посредством электросинтеза он интегрируется в ряд органических молекул, которые играют решающую роль в разработке фармацевтических препаратов.
В ходе процесса команда сделала инновационное открытие. Изменив тип используемого электрохимического реактора, они смогли получить два разных продукта, оба из которых полезны в медицинской химии.
Статья команды была недавно опубликована в журнале Nature. Соавторами статьи являются постдокторанты Пэн Ю и Вэнь Чжан, а также Го-Цюань Сун из Сычуаньского университета в Китае.
Команда Корнелла, возглавляемая Сонг Лин, профессором химии и химической биологии в Колледже искусств и наук, ранее использовала процесс электрохимии для сшивания простых молекул углерода и образования сложных соединений, устраняя необходимость в драгоценных металлах или других катализаторах для ускорения химической реакции.
Для нового проекта они нацелились на более конкретную цель: пиридин, второй по распространенности гетероцикл в препаратах, одобренных FDA. Гетероциклы - это органические соединения, в которых атомы молекул связаны в кольцевые структуры, по крайней мере, один из которых не является углеродом. Эти структурные единицы считаются “фармакофорами” из-за их частого присутствия в лекарственных активных соединениях. Они также часто встречаются в агрохимикатах.
Целью исследователей было получение карбоксилированных пиридинов, то есть пиридинов с добавлением к ним углекислого газа. Преимущество введения углекислого газа в пиридиновое кольцо заключается в том, что оно может изменить функциональность молекулы и потенциально помочь ей связываться с определенными мишенями, такими как белки. Однако эти две молекулы не являются естественными партнерами. Пиридин является реакционноспособной молекулой, в то время как углекислый газ, как правило, инертен.
“Существует очень мало способов прямого введения углекислого газа в пиридин”, - сказал Лин, соавтор статьи, вместе с Да-Ган Ю из Сычуаньского университета. “Современные методы имеют очень серьезные ограничения”.
Лаборатория Лина объединила свой опыт в области электрохимии со специализацией группы Ю на использовании углекислого газа в органическом синтезе, и они смогли успешно создать карбоксилированные пиридины.
“Электрохимия дает вам возможность использовать потенциал, достаточный для активации даже некоторых самых инертных молекул”, - сказал Лин. “Вот как мы смогли добиться этой реакции”.
Случайное открытие команды появилось, когда они проводили электросинтез. Химики обычно проводят электрохимическую реакцию одним из двух способов: в неразделенной электрохимической ячейке (в которой анод и катод, подающие электрический ток, находятся в одном растворе) или в разделенной электрохимической ячейке (в которой анод и катод разделены пористой перегородкой, которая блокирует крупные органические молекулы, но позволяетионы для прохождения). Один подход может быть более эффективным, чем другой, но оба они дают один и тот же продукт.
Группа Лина обнаружила, что, переключаясь с разделенной на неразделенную ячейку, они могут избирательно присоединять молекулу углекислого газа в разных положениях пиридинового кольца, создавая два разных продукта: С4-карбоксилирование в неразделенной ячейке и С5-карбоксилирование в разделенной ячейке.
“Мы впервые обнаружили, что, просто меняя ячейку, которую мы называем электрохимическим реактором, вы полностью меняете продукт”, - сказал Лин. “Я думаю, что механистическое понимание того, почему это произошло, позволит нам продолжать применять ту же стратегию к другим молекулам, а не только к пиридинам, и, возможно, создавать другие молекулы таким избирательным, но контролируемым образом. Я думаю, что это общий принцип, который можно распространить на другие системы ”.
Хотя форма утилизации углекислого газа в рамках проекта не решит глобальную проблему изменения климата, сказал Лин, “это небольшой шаг к полезному использованию избыточного количества углекислого газа”.
Ссылка: “Электрохимический реактор определяет селективность сайта при карбоксилировании N-гетероаренов” Го-Цюань Сунь, Пэн Юй, Вэнь Чжан, Вэй Чжан, И Ван, Ли-Ли Ляо, Чжэнь Чжан, Ли Ли, Чжипэн Лу, Да-Ган Ю и Сон Линь, 5 января 2023 года, Nature.
DOI: 10.1038 / s41586-022-05667-0