Chemicy z Uniwersytetu Illinois opracowali katalizator inspirowany enzymami, aby usprawnić syntezę eteru, czyniąc ją bardziej wydajną i wszechstronną. Ten przełom umożliwia tworzenie złożonych eterów z mniejszą liczbą etapów i materiałów, mających potencjał do szerokich zastosowań w chemii i przemyśle.
Zainspirowani enzymami chemicy z Uniwersytetu Illinois Urbana-Champaign stworzyli katalizator, który usprawnia syntezę eterów, niezbędnych składników wielu leków, żywności, produktów higieny osobistej i innych towarów konsumpcyjnych. Katalizator ten ustawia dwa składniki chemiczne w optymalnej bliskości i orientacji, umożliwiając im reakcję bez dodatkowych etapów i ilości typowo potrzebnych w konwencjonalnych metodach syntezy.
Naukowcy pod kierunkiem profesor chemii Uniwersytetu I. M. Christiny White opublikowali swoje odkrycia w czasopiśmie Nauka.
„Etery to bardzo ważne cząsteczki — są we wszystkim — a nasze podejście naprawdę usprawnia proces ich wytwarzania, a także pozwala nam wytwarzać etery, czego wcześniej nie mogliśmy” – powiedział White. „Zawsze inspirujemy się naturą. Enzymy pokazały nam, w jaki sposób możemy przeprowadzić te reakcje lepiej, prościej i wydajniej”.
Wyzwania w syntezie eteru
Idealną parą składników do wytworzenia eteru jest alkohol i węglowodór zwany alkenem, ale nie zareagują one samodzielnie, jeśli zostaną zmieszane, powiedział doktorant Sven Kaster, pierwszy autor badania. Podręcznikowy protokół polega na wyrwaniu protonu z alkoholu, co czyni go reaktywnym, ale skutkuje mieszanym koktajlem produktów, z którego należy wyekstrahować pożądany eter. Wymaga to również dużych ilości składników, aby uzyskać wystarczającą ilość eteru, aby był użyteczny, co nie jest praktyczne w przypadku złożonych, cennych składników.
„Przyjęliśmy inne podejście do rozwiązania problemu” – powiedział Kaster. „Nie chcieliśmy aktywować alkoholu i nie chcieliśmy używać dużych ilości partnerów reakcji”.
Naukowcy opracowali samoorganizujące się, małocząsteczkowe katalizatory zawierające metaliczny pallad, który może rozerwać wiązanie między węglem i wodorem w alkenie, aby doprowadzić go do reakcji z alkoholem. Nazwali katalizatory SOX. Jednak samo uczynienie alkenów reaktywnymi nie wystarczyło, aby uzyskać pożądane przez badaczy etery.
Szerokie zastosowania i przyszłe badania
W poszukiwaniu inspiracji zwrócili się do biologii, przyglądając się, jak enzymy katalizują złożone reakcje w przyrodzie: umieszczając partnerów reakcji blisko siebie i w odpowiedniej orientacji umożliwiającej reakcję, powiedział White. Wyprodukowali wersję katalizatora SOX, Sven-SOX, o określonej geometrii i właściwościach elektronicznych, dzięki czemu aktywowany alken i alkohol układały się idealnie, tworząc pożądane etery.
„To tak, jakby dwie osoby chciały trzymać się za ręce, muszą być blisko siebie. Ale aby było to wygodne, muszą być zwróceni we właściwą stronę” – powiedział White. „Połączyliśmy te dwie funkcje, bliskość i położenie, i w pewnym sensie zbudowaliśmy nasz własny, samoorganizujący się «enzym», ale z prostych składników”.
Katalizator Sven-SOX działał w szerokim spektrum reakcji generujących eter. Naukowcy wyprodukowali ponad 130 eterów, w tym złożone i nieporęczne, których wyprodukowanie innymi metodami było dotychczas trudne.
„Główną zaletą naszego podejścia jest ogólność. Możemy wytworzyć wiele eterów, których wcześniej nie wytwarzano, a które mogą mieć nowe lub przydatne funkcje” – powiedział Kaster. „Możemy wytwarzać etery z komponentów, które są bardzo nieporęczne i zwykle trudne do złożenia. Nasza reakcja również ma bardzo łagodne warunki i dlatego możemy tolerować bardzo wrażliwe grupy, które normalnie, zgodnie z metodą podręcznikową, uległyby reakcjom, których nie chcemy. Kolejną zaletą jest to, że wytwarzamy te etery bardziej wydajnie, używając mniejszej ilości materiału i mniejszej liczby etapów. To zabieg, który może wykonać uczeń gimnazjum”.
Film prezentujący proces. Źródło: Uniwersytet Illinois w Urbana-Champaign
Następnie naukowcy planują zbadać inne drobnocząsteczkowe katalizatory, które mogłyby mieć właściwości enzymatyczne i umożliwić wytwarzanie innych klas substancji chemicznych. Będą także nadal badać reakcje eterowe i sposoby ich optymalizacji.
„To naprawdę podkreśla znaczenie nauk podstawowych i mocy małych cząsteczek, które mogą działać jak enzym” – powiedział White. „Ta praca pokazała nam, jak myśleć o projektowaniu takich katalizatorów w przyszłości i wykorzystaniu narzędzi, których używają enzymy w przyrodzie. Chcemy uwzględnić to w przyszłych projektach katalizatorów, aby rozwiązać ważne problemy w chemii, medycynie i przemyśle”.
Odniesienie: „Katalizowane palladem sprzęganie krzyżowe alkoholi z olefinami poprzez strojenie pozycyjne przeciwjonu” autorstwa Svena HM Kastera, Lei Zhu, Williama L. Lyona, Rulina Ma, Stephena E. Ammanna i M. Christiny White, 5 września 2024 r., Nauka.
DOI: 10.1126/science.ado8027
Narodowy Instytut Powszechnych Nauk Medycznych im Narodowe Instytuty Zdrowia wspierał tę pracę.
