Selektywne łączenie chemicznych bloków budulcowych przy użyciu katalizatorów wytworzonych przez człowieka
Niemal od zawsze naukowcy inspirowali się powstałą w drodze ewolucji zdolnością natury do tworzenia skomplikowanych i eleganckich struktur biologicznych ze względnie prostych elementów. Chemicy-organicy przyjrzeli się budowie i działaniu naturalnych składników organicznych, takich jak koenzym A, aby dowiedzieć się, jak można naśladować ich właściwości w zakresie syntezy zróżnicowanych rodzin związków (jak poliektydy czy alkaloidy). Uczestnicy finansowanego ze środków UE projektu ENOLCAT zdecydowali się zoptymalizować powszechnie stosowane podejście biomimetyczne z myślą o umożliwieniu syntezy różnorodnych produktów na bazie prostych składników przy zachowaniu wysokiego stopnia kontroli nad całym procesem. Ich celem było opracowanie nowych strategii katalizy organicznej, które nie tylko znajdą szczególne zastosowanie w branży, ale również przyczynią się do lepszego poznania mechanizmów stojących za tymi procesami. Katalizatory napędzające zmiany w chemii 3D Kluczem do sukcesu projektu ENOLCAT było skuteczne wykorzystanie katalizatorów – a w szczególności tych związków, których złożoność chemiczna wiąże się z tzw. „chiralnością” cząsteczek. Chiralność to właściwość geometryczna charakteryzująca się tym, że cząsteczki w odbiciu lustrzanym i cząsteczki oryginalnego związku po nałożeniu na siebie nie są identyczne. Termin „chiralny” – pochodzący od greckiego słowa oznaczającego rękę – opisuje sytuację, w którym lewa dłoń jest lustrzanym odbiciem prawej dłoni, jednak dłonie te nie są identyczne, co widać przy próbie założenia lewej rękawiczki na prawą dłoń i odwrotnie. Jak podkreśla prof. Andrew Smith, koordynator projektu ENOLCAT, chiralność ma bardzo duże znaczenie w chemii syntetycznej. „W przypadku konstruowania molekuł kluczem jest selektywność – każdy etap budowy wymaga zachowania wysokiego stopnia kontroli. Należy uważać, od której strony zaczyna się tworzenie cząsteczki – od dołu czy od góry, od prawej czy od lewej – zupełnie jak przy zabawie klockami LEGO. Od tego zależy efekt końcowy”. Taki stopień kontroli nazywany jest „regio- i enancjokontrolą”. Zespołowi ENOLCAT udało się rozszerzyć zakres kontroli nad reakcją i osiągnąć żądany zrównoważony lub „stereochemiczny” układ atomów w produkcie końcowym. Bez tej kontroli syntetyzowane związki chemiczne, takie jak farmaceutyki, po prostu nie będą skuteczne. W doświadczeniach laboratoryjnych zespół z sukcesem wykorzystał sztuczne katalizatory (izotiomocznik) do transformacji prostych chemicznych bloków budulcowych (kwasu karboksylowego), w drodze sekwencji reakcji domino przeprowadzanych in situ, w złożone szeregowo struktury cząstek (odpowiadające donorom grup acylowych i enolowych) o kontrolowanej orientacji 3D. Jak z entuzjazmem opowiada prof. Smith, „udane przeniesienie nowego procesu reakcji z zapisów na tablicy do praktyki laboratoryjnej zawsze jest ekscytujące”. Podążanie ścieżką chemoróżnorodności Jak twierdzi prof. Smith, podczas określania docelowych struktur dla projektu ENOLCAT starano „kierować się potrzebą”. „Wiele związków farmaceutycznych składa się z pierścieni powiązanych ze sobą atomów (heterocyklicznych i karbocyklicznych), z tego powodu skupiliśmy się na stworzeniu alternatywnych, indywidualnie dobieranych metod ich przygotowywania”. Ulepszona kataliza pozwoli zwiększyć wydajność procesów przemysłowych, ograniczyć zużycie energii oraz ilość odpadów i szkodliwych produktów ubocznych powstających przy produkcji kluczowych produktów. Jak podsumowuje prof. Smith, „Projekt ENOLCAT wniósł swój wkład w osiągnięcie tych celów, dostarczając specjalistycznych katalitycznych rozwiązań istotnych dla przemysłu problemów. Część z tych rozwiązań została już zastosowana w większej skali, m.in. do budowy ważnych bioaktywnych cząsteczek docelowych o potencjalnych długofalowych korzyściach dla społeczeństwa”.
Słowa kluczowe
ENOLCAT, katalizator, atomy, molekularny, chemia syntetyczna, związki, enzymy, chiralność, stereochemia, chemoróżnorodność
