Прорыв в химии: новый метод синтеза карбенов ускорит создание лекарств в 100 раз

Новый химический прорыв может революционизировать производство жизненно важных лекарств — всё начинается с крошечной треугольной молекулы. Фото: Shutterstock

Химики разработали инновационный способ получения высокоэффективных химических строительных блоков с использованием металлокарбенов, согласно новому исследованию.

Карбены — это короткоживущие, высокореактивные атомы углерода, которые обычно применяются в реакциях, критически важных для синтеза лекарств и разработки материалов. Однако в лабораторных условиях их получение сопряжено с трудностями из-за ограниченных и зачастую опасных методов.

Теперь исследователи из Университета Огайо впервые предложили подход, который значительно упрощает производство металлокарбенов, как объяснил соавтор исследования Дэвид Нагиб, выдающийся профессор химии и биохимии.

«Нашей целью всегда было найти новые методы получения карбенов, которые раньше не использовались, — сказал он. — Если бы удалось управлять ими более мягким каталитическим способом, можно было бы достичь новой реакционной способности, что мы и сделали».

Учёные разработали этот метод, используя железо в качестве катализатора и комбинируя его с хлорсодержащими молекулами, которые легко генерируют свободные радикалы. В результате образовались карбены, включая ранее неизвестные виды. Затем эти карбены быстро связывались с другой молекулой, образуя циклопропан — трёхстороннюю структуру, напоминающую треугольник.

Эти молекулярные фрагменты крайне важны для синтеза лекарств и агрохимикатов благодаря своей компактности и необычной энергии. Хотя существует множество способов синтезировать эту форму (одну из самых распространённых в медицине), команда сосредоточилась на поиске наиболее эффективного метода.

«Наша лаборатория одержима идеей создания лучших методов синтеза циклопропанов, — отметил Нагиб. — Мы стремимся разработать более совершенные инструменты для производства более эффективных лекарств, и по пути решили серьёзную проблему в мире карбенов».

Исследование было опубликовано в журнале Science.

Разгадав одну из сложнейших задач химии, команда также обнаружила, что их метод эффективно работает в воде. Это открывает перспективу создания металлокарбенов непосредственно в живых клетках для поиска новых мишеней для лекарств. По словам Нагиба, новый подход примерно в 100 раз эффективнее предыдущих методов, разработанных его лабораторией за последнее десятилетие.

«Наша лаборатория занимается разработкой инструментов, — пояснил он. — И для меня ценность работы определяется тем, используют ли её другие учёные».

Ожидается, что открытие окажет значительное влияние на науку: новый способ создания и классификации карбенов позволит упростить и обезопасить их производство, которое сейчас требует многоэтапных и ресурсоёмких процессов. Для потребителей это означает, что лекарства, разработанные с использованием данной технологии, могут стать дешевле, эффективнее, быстрее действовать и дольше сохранять эффект.

Метод поможет предотвратить дефицит важных препаратов, включая антибиотики, антидепрессанты, а также лекарства от сердечных заболеваний, COVID-19 и ВИЧ, подчеркнул Нагиб.

Учитывая революционный характер открытия, команда стремится сделать этот инструмент органической химии доступным как для крупных, так и для небольших лабораторий и фармацевтических компаний по всему миру. Для этого учёные продолжат совершенствовать технологию.

«Наша команда в Университете Огайо объединилась самым удивительным и продуктивным образом, — сказал Нагиб. — Мы продолжим исследовать, на каких ещё катализаторах может работать этот метод, чтобы создавать самые сложные и ценные молекулы».

Среди соавторов исследования — Кхью Нгуен, Сюэлин Мо, Бетани Демюнк, Мохамед Эльсайед, Джейкоб Гарвуд, Зуонг Нго и Илиас Хан Рана. Работа поддержана Национальным научным фондом, Национальными институтами здравоохранения и Институтом фундаментальных наук Брауна.

Источники:

Материалы предоставлены Университетом Огайо.