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研究人员利用脂肪酸创造化学复杂性的新工具

新的催化剂设计可实现对脂肪酸衍生物改性的空前控制,从而为以绿色高效方式生产有用物质打开了大门。

北海道大学WPI-ICReDD研究人员开发了一种模块化催化剂,该催化剂可以在迄今为止无法接近的位置精确修饰脂肪酸衍生物。这样就可以从可再生的生物资源中高效生产有价值的化合物,而在此之前,我们要么不得不依赖石油衍生的资源,要么使用复杂而昂贵的方法。

许多药物和塑料由主链组成,主链本质上是碳原子链,在其烃骨架内有修饰。对于脂肪酸的生产而言,脂肪酸是有吸引力的原料,因为它们是易于获得的,可再生的自然资源,其由与称为“羧基”的官能团相连的碳原子链组成。但是,到目前为止,我们修饰这些链的能力仅限于距离羧基仅一个或两个原子的碳原子。北海道大学化学反应设计与发现研究所(WPI-ICReDD)的Masaya Sawamura教授解释说:“以这种方式获得的化学材料仅限于结构相当简单的化学材料,为了合成有用的化合物,需要进行多步过程必要。”

在先前的研究基础上,Sawamura的小组构建了一种催化剂,该催化剂的核心由铱原子和各种模块组成,这些模块确保脂肪酸衍生物(在这种情况下为脂肪酸酰胺或酯)的精确定位使得远离羧基三个碳原子的CH键被修饰。而且,尽管脂肪酸衍生物中的每个CH键都可以通过两种方式进行修饰,使化合物彼此成镜像,但该团队开发的催化剂只能产生两种可能产物中的一种,这对药物开发。为了进一步增加可能的修饰范围,研究人员试图在其催化剂中使用不同的模块,以改变底物在催化剂中的定位方式,以实现不同的修饰。

在《科学》杂志上发表的文章中,研究小组证明了他们的方法适用于各种底物,并且可以产生大量有用的衍生物。此外,他们使用量子化学计算来研究催化剂的精确结构和功能,以驱动观察到的反应性和选择性。结果证实,该催化剂具有一个深的口袋,可通过其亚基之一与底物的羰基之间的相互作用与底物结合,并将其保持在适当的位置以促进特定的反应-与天然酶类似。

“模块化催化剂允许对脂肪酸酰胺和酯(其中一些是生物活性化合物)进行位点选择性修饰。这种简单,模块化且广泛适用的催化体系使易得原料的烃链结构和化学复杂性引入化学药品。”研究小组的罗纳德·雷耶斯(Ronald Reyes)说。这些努力成功的关键是实验与计算的结合。Sawamura表示:“实验知识的积累是巨大的灵感之源,但是在计算机化学的支持下,我们可以在不久的将来将其付诸实践。”

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