محققان ژاپنی با استفاده از یک راهکار ساده و مقرون‌به‌صرفه موفق به توسعه روشی جدید برای فعال‌سازی اسیدهای کربوکسیلیک و تبدیل آنها به ترکیبات ارزشمند در صنایع دارویی و مواد پیشرفته شدند.
به گزارش science tech daily این روش که بر پایه انتقال اتم هیدروژن (HAT) و با استفاده از یک کتون ارگانیک ارزان‌قیمت به نام «زانتون» انجام می‌شود، گامی مهم در مسیر به‌کارگیری رادیکال‌های کربوکسی برای ساخت پیوند‌های کربن–کربن و کربن–هترواتم به‌شمار می‌رود. جزئیات این دستاورد در شماره اخیر نشریه Journal of the American Chemical Society منتشر شده است.
اسیدهای کربوکسیلیک منابعی غنی در شیمی آلی
اسیدهای کربوکسیلیک یکی از ترکیبات رایج در مواد زیست‌فعال و مصالح پایه در سنتز آلی هستند. این ترکیبات در صورت تبدیل به رادیکال‌های کربوکسی می‌توانند آغازگر شکل‌گیری پیوند‌های شیمیایی جدید بوده و نقش کلیدی در توسعه مواد نو و داروهای پیشرفته ایفا کنند. با این حال استفاده از کاتالیزگر‌های ارزان و در دسترس برای این فرآیند تاکنون با محدودیت‌هایی روبه‌رو بوده است.
در پاسخ به این چالش، تیمی از پژوهشگران مرکز بین‌المللی تحقیق و توسعه عناصر طراحی واکنش (WPI-ICReDD) در دانشگاه هوکایدو و دانشگاه شیزوئوکا، روشی ساده و مؤثر برای تولید انتخابی رادیکال‌های کربوکسی ارائه کرده‌اند. این روش از زانتون – یک کتون آلی ارزان‌قیمت و موجود در بازار – به عنوان فتوکاتالیزگر بهره می‌گیرد و فرآیند HAT را برای ایجاد رادیکال‌ها تسهیل می‌کند.
نقش کلیدی تحلیل محاسباتی در موفقیت روش
در فرآیند HAT یک اتم هیدروژن از مولکول هدف جدا می‌شود و رادیکال واکنش‌پذیر حاصل می‌شود. کتون‌ها به دلیل هزینه پایین و توانایی‌شان در فتوشیمی HAT گزینه‌های مناسبی محسوب می‌شوند، اما فعال‌سازی پیوند O–H در اسیدهای کربوکسیلیک چالشی جدی است، زیرا این پیوند نسبت به پیوند‌های همسایه C–H قوی‌تر است.
برای غلبه بر این چالش، محققان از روش محاسباتی AFIR (واکنش القاشده با نیروی مصنوعی) استفاده کردند که در ICReDD توسعه یافته است. نتایج تحلیل AFIR نشان داد که زانتون قادر است پیوند O–H را به‌طور انتخابی فعال کند و گزینه‌ای مناسب برای تولید هدفمند رادیکال‌ها در این سیستم‌ها است.
پیوند هیدروژنی عامل تعیین‌کننده در انتخاب‌پذیری
بر اساس تحلیل‌های محاسباتی، زانتون دارای موانع انرژی تقریباً یکسانی برای فعال‌سازی پیوند‌های O–H و C–H در مولکول‌های اسید کربوکسیلیک است. این تعادل نشان می‌دهد که پیوند هیدروژنی، که بین اتم‌های هیدروژن و اکسیژن شکل می‌گیرد، می‌تواند نقشی اساسی در جهت‌دهی به واکنش ایفا کند. این در حالی است که چنین پیوندی بین هیدروژن و کربن تشکیل نمی‌شود.
آزمایش‌های تجربی، پیش‌بینی‌های حاصل از مدل AFIR را تأیید کردند و نقش حیاتی پیوند هیدروژنی در فعال‌سازی انتخابی پیوند O–H را نشان دادند. در این واکنش‌ها، نسبت انتخاب‌پذیری بالایی – بیش از ۱۰ به ۱ – در جهت شکستن پیوند O–H مشاهده شد.
سازگاری بالا با زیرلایه‌های مختلف و مسیر‌های چندگانه واکنش
بسته به نوع زیرلایه مورد استفاده، واکنش می‌تواند از مسیر دکربوکسیلاسیون یا عملکرد بنزیلی دنبال شود. زانتون در این فرآیند واکنشی، گستره وسیعی از زیرلایه‌ها را تحمل می‌کند و امکان ایجاد پیوند‌های مختلفی مانند C–C، C–Cl و C–S را فراهم می‌سازد. این ویژگی نشان‌دهنده انعطاف‌پذیری بالای این روش در بیش از ۴۰ واکنش مختلف است.
تأیید قدرت پیش‌بینی AFIR
هیروکی هایاشی، دانشیار مرکز ICReDD دانشگاه هوکایدو، در این‌باره گفت: «همکاری با تیم دانشگاه شیزوئوکا برای کشف یک مسیر فعال‌سازی جدید برای اسیدهای کربوکسیلیک از طریق رویکرد‌های محاسباتی، تجربه‌ای ارزشمند برای من بود. برایم اهمیت زیادی دارد که روش AFIR توانایی خود را در پیش‌بینی واکنش‌ها فراتر از ICReDD نشان داده است. امیدوارم این ابزار محاسباتی به توسعه روش‌های نوین در طراحی واکنش کمک کند.»
کنجی یاماشیتا، استادیار دانشگاه شیزوئوکا نیز تأکید کرد:از همکاری با هایاشی بسیار خرسندم. ترکیب تحلیل‌های تجربی و محاسباتی به ما کمک کرد تا نوع جدیدی از فتوکاتالیز کتون‌ها را کشف کنیم. این پروژه باعث شد به توانمندی واقعی روش AFIR در پیش‌بینی مسیر‌های واکنشی پی ببرم. امیدوارم این یافته‌ها راه را برای کنترل بهتر رادیکال‌های واکنش‌پذیر باز کند.
گامی اقتصادی و زیست‌سازگار در تولید ترکیبات دارویی
این روش جدید به‌دلیل مقرون‌به‌صرفه بودن و تولید پسماند بسیار کم، گزینه‌ای مناسب برای توسعه دارو‌ها و مواد شیمیایی جدید محسوب می‌شود. همچنین سازوکار فتوکاتالیتیکی آن، افق‌های تازه‌ای برای تولید رادیکال‌های دیگر – فراتر از رادیکال‌های کربوکسی – می‌گشاید.
انتهای پیام/