KAIST เผยกลยุทธ์สร้างสมดุลเคมีหัวรุนแรง

อนุมูล อะตอม หรือโมเลกุลที่ทำปฏิกิริยากับสารอื่นๆ ได้ง่ายเพื่อสร้างพันธะใหม่ เป็นเครื่องมือที่มีประโยชน์ในการสร้างสารที่ซับซ้อน เช่น ยา แต่แม้ว่าอนุมูลจะถูกสร้างขึ้นอย่างมีประสิทธิภาพ ปฏิกิริยาก็ไม่สามารถดำเนินต่อไปได้หากตัวเร่งปฏิกิริยากลับคืนสู่สถานะดั้งเดิม ทีมวิจัยของ KAIST ได้พัฒนากลยุทธ์ใหม่ที่สร้างสมดุลระหว่างการสร้างและการฟื้นฟูตัวเร่งปฏิกิริยา ขยายความเป็นไปได้ในการใช้พื้นผิวที่กระตุ้นได้ยากเพื่อสังเคราะห์โมเลกุลที่ซับซ้อนซึ่งจำเป็นสำหรับการใช้งานทางเภสัชกรรมและการใช้งานอื่นๆ

KAIST (ประธาน Choongsik Bae) ประกาศเมื่อวันที่ 20 กันยายนว่าทีมวิจัยที่นำโดยศาสตราจารย์ Sarah Yunmi Lee จากภาควิชาเคมีได้พัฒนาวิธีการที่ใช้ลิแกนด์ ซึ่งเป็นโมเลกุลที่จับกับตัวเร่งปฏิกิริยาโลหะและควบคุมคุณสมบัติของมัน เพื่อควบคุมกระบวนการที่ตัวเร่งปฏิกิริยาทองแดงกลับสู่สถานะเดิมได้อย่างมีประสิทธิภาพ

ทีมงานใช้ลิแกนด์ที่มีไซโคลโพรพีนิมีน (CPI) เพื่อปรับพฤติกรรมการเกิดออกซิเดชันของตัวเร่งปฏิกิริยาทองแดง ซึ่งช่วยสร้างอนุมูลและกลับสู่สถานะแอคทีฟของมัน

ในการศึกษานี้ ทีมงานได้ใช้อัลคิลเฮไลด์ระดับตติยภูมิ ซึ่งเป็นสารประกอบที่โบรมีนหรือคลอรีนเกาะติดกับศูนย์กลางคาร์บอนตติยภูมิเป็นวัสดุเริ่มต้น เมื่อตัวเร่งปฏิกิริยาทองแดงทำลายพันธะนี้ จะเกิดอนุมูลที่มีปฏิกิริยาสูงเกิดขึ้น และอนุมูลนี้จะสร้างพันธะคาร์บอน-คาร์บอนใหม่กับอีกส่วนหนึ่งของโมเลกุลเดียวกัน เกิดเป็นโครงสร้างคล้ายวงแหวน กระบวนการนี้คล้ายกับการผูกปลายเชือกที่หลวมทั้งสองข้างเข้าด้วยกันเพื่อสร้างเป็นวง สิ่งนี้เรียกว่าปฏิกิริยาไซคลิกเซชันแบบรุนแรง

เมื่อทีมงานเปรียบเทียบลิแกนด์หลายประเภท พวกเขาพบว่าการสร้างอนุมูลมากขึ้นไม่จำเป็นต้องนำไปสู่ผลลัพธ์ที่ต้องการมากขึ้น ลิแกนด์บางชนิดมีประสิทธิภาพมากในการสร้างอนุมูล แต่แทบไม่สร้างผลผลิตขั้นสุดท้ายเลย

แต่ลิแกนด์ที่มีพื้นฐานจาก CPI ที่มีประสิทธิภาพดีที่สุดอนุญาตให้มีการสร้างอนุมูลอิสระและการสร้างตัวเร่งปฏิกิริยาใหม่เพื่อดำเนินการในสภาวะสมดุล หากเปรียบเทียบตัวเร่งปฏิกิริยากับผู้ปฏิบัติงานที่ทำงานซ้ำๆ ลิแกนด์ของ CPI จะทำหน้าที่เป็นตัวอำนวยความสะดวกที่ช่วยให้ผู้ปฏิบัติงานย้ายจากงานหนึ่งไปยังอีกงานหนึ่งได้โดยไม่หยุดชะงัก

ผลที่ได้คือ กลุ่มได้สังเคราะห์ออกซิไดลที่ถูกแทนที่ 3,3 ตัวให้ผลผลิตสูง ซึ่งเป็นสารประกอบที่มีกรอบวงแหวนที่เกี่ยวข้องกับเคมีทางยาที่ใช้ในยาและสารออกฤทธิ์ทางชีวภาพ

โดยเฉพาะอย่างยิ่ง วัสดุซับสเตรตที่มีโบรมีนจะทำปฏิกิริยาได้อย่างมีประสิทธิภาพแม้ที่อุณหภูมิห้อง ทีมงานยังประสบความสำเร็จในการทำปฏิกิริยากับซับสเตรตด้วยพันธะคาร์บอน-คลอรีนเข้มข้นที่แตกหักง่าย สิ่งนี้แสดงให้เห็นว่าแม้แต่อัลคิลคลอไรด์ระดับตติยภูมิซึ่งก่อนหน้านี้ยากต่อการแปรรูปก็สามารถนำมาใช้ในการสังเคราะห์สารประกอบออกซินโดลจำนวนหนึ่งที่เคยสร้างได้ยากก่อนหน้านี้

ข้อสรุปที่สำคัญของการศึกษาครั้งนี้ก็คือ การสร้างอนุมูลที่ดีนั้นไม่เพียงพอด้วยตัวมันเอง แทนที่จะเพิ่มปฏิกิริยาในขั้นตอนเดียว ทีมงานแสดงให้เห็นว่าการปรับสมดุลวงจรตัวเร่งปฏิกิริยาทั้งหมด รวมถึงการสร้างอนุมูลอิสระและการสร้างตัวเร่งปฏิกิริยาใหม่ ช่วยให้สามารถออกแบบตัวเร่งปฏิกิริยาที่มีประสิทธิภาพมากขึ้นและขยายแนวทางไปสู่ปฏิกิริยาใหม่ ๆ

หลักการนี้สามารถขยายขอบเขตของซับสเตรตที่ยากสำหรับการสังเคราะห์ทางเคมีได้ นอกจากนี้ยังสามารถช่วยนักวิจัยพัฒนาวิธีการที่มีประสิทธิภาพมากขึ้นในการสร้างโมเลกุลที่เกี่ยวข้องกับยาที่ซับซ้อนและสารประกอบออกฤทธิ์ทางชีวภาพอื่นๆ ภายใต้สภาวะที่ไม่รุนแรง

ศาสตราจารย์ ซาราห์ ยุนมี ลี กล่าวว่า “การศึกษานี้แสดงให้เห็นว่าการสร้างหัวรุนแรงที่มีประสิทธิภาพเพียงอย่างเดียวนั้นไม่เพียงพอ และกระบวนการต่างๆ ในวงจรตัวเร่งปฏิกิริยาจะต้องดำเนินต่อไปอย่างสมดุล” เขากล่าวเสริมว่า “เราคาดหวังว่าแนวทางนี้สามารถนำไปใช้ในการพัฒนาปฏิกิริยาตัวเร่งปฏิกิริยาชนิดใหม่ที่ใช้สารตั้งต้นที่ท้าทายซึ่งก่อนหน้านี้ยากต่อการกระตุ้น”

การศึกษาร่วมกับ Sarah Jang นักศึกษา MSc-PhD แบบบูรณาการในภาควิชาเคมีที่ KAIST และ Seongryeol Jeung ผู้สำเร็จการศึกษาระดับปริญญาโทจากมหาวิทยาลัย Yonsei ในฐานะผู้เขียนร่วม และกับ Sumin Kim นักศึกษา MSc-PhD แบบบูรณาการในภาควิชาเคมี ได้รับการเผยแพร่ทางออนไลน์ที่ KAIST ที่ KAIST Journal of the American Chemical Society (JACS) ซึ่งเป็นวารสารระดับนานาชาติจัดพิมพ์โดย American Chemical Society (ACS)

※ ชื่อเอกสาร: การควบคุมรีดอกซ์ที่กระตุ้นด้วยไซโคลโพรพีนิมีนในการหมุนเวียนแบบหัวรุนแรงที่เร่งปฏิกิริยาด้วยทองแดงเป็นออกซิโดลที่ถูกแทนที่ 3,3

※ ดอย: 10.1021/jacs.6c09015

※ ข้อมูลผู้แต่ง: Sarah Jang (KAIST ผู้เขียนร่วมคนแรก), Songryol Jung (มหาวิทยาลัย Yonsei ผู้เขียนคนแรก), Sumin Kim (KAIST ผู้เขียนคนที่สาม), Sarah Yunmi Lee (KAIST ผู้เขียนที่เกี่ยวข้อง)

งานวิจัยนี้ได้รับการสนับสนุนจากมูลนิธิวิทยาศาสตร์และเทคโนโลยีซัมซุงภายใต้โครงการ SSTF-BA2202-06