Neuartiges computergestütztes chemisches Syntheseverfahren reduziert Forschungszeit und -kosten
Ein Computer sagt die Durchführbarkeit der Synthese von Zielverbindungen und deren chemische Ausbeute voraus
Wissenschaftlern der Universität Hokkaido ist es gelungen, ein α,α-Difluorglycinderivat, eine Art α-Aminosäure, auf der Grundlage eines durch quantenchemische Berechnungen vorhergesagten Reaktionsweges zu synthetisieren. Diese neuartige Methode, die experimentelle Chemie und rechnergestützte Chemie kombiniert, könnte die Entwicklung neuer chemischer Reaktionen innovativ gestalten.
Eine Illustration, die das neuartige computergestützte chemische Syntheseverfahren zeigt.
WPI-ICReDD
α-Aminosäuren sind nicht nur die Grundbestandteile von Peptiden und Proteinen in unserem Körper, sondern sind auch für unser tägliches Leben unerlässlich. Sie werden für Nahrungsergänzungsmittel, Lebensmittelzusätze und viele andere Produkte verwendet. Während natürliche α-Aminosäuren durch herkömmliche Fermentationsprozesse kostengünstig synthetisiert werden können, werden nicht-natürliche α-Aminosäuren, die Peptiden und Proteinen neue Eigenschaften verleihen könnten, im Allgemeinen durch chemische Synthesen hergestellt.
In der aktuellen Studie, die in Chemical Science veröffentlicht wurde, konzentrierte sich eine Gruppe von Wissenschaftlern am Institute for Chemical Reaction Design and Discovery (WPI-ICReDD) der Universität auf die chemische Synthese von α,α-Difluorglycin, einer nicht-natürlichen fluorierten α-Aminosäure, die die metabolische Stabilität und biologische Aktivität des Moleküls verbessern könnte. Eine wirksame Synthesemethode für die Aminosäure war jedoch schwer zu finden.
Der Entwurf neuer Reaktionen auf der Grundlage der konventionellen organischen Synthese erfordert zahlreiche Versuche und Fehler in Experimenten und die Einsichten von erfahrenen Chemikern. Folglich war für die Entwicklung einer innovativen Reaktion ein enormer Aufwand an Zeit und Geld erforderlich.
Um dieses Problem zu überwinden, führte das WPI-ICReDD, das neue Forschungszentrum der Universität, seine Kerntechnologie ein, die als AFIR-Methode (Artificial Force Induced Reaction) bezeichnet wird. AFIR ist eine rechnergestützte Methode, bei der virtuelle intermolekulare oder intramolekulare Kräfte angewendet werden, um eine systematische Suche nach chemischen Reaktionswegen durchzuführen. Die Gruppe wandte die AFIR-Methode zur Durchführung der so genannten retrosynthetischen Analyse an, bei der quantenchemische Berechnungen verwendet werden, um die Zersetzungspfade eines gewünschten Produkts zu finden, bevor in umgekehrter Weise synthetische Pfade vorgeschlagen werden.
Sie suchten nach den Zersetzungspfaden von α,α-Difluorglycin und wählten eine Gruppe aus, die drei grundlegende und einfache Verbindungen - Amin, Difluorocarbene und Kohlendioxid - enthielt. Ihre Berechnung sagte voraus, dass diese drei Verbindungen in der Lage sind, die Zielverbindung in einer Ausbeute von 99,99% zu produzieren.
Nach der Feinabstimmung verschiedener Reaktionsbedingungen synthetisierten die experimentellen Chemiker erfolgreich ein α,α-Difluorglycinderivat in 80%iger Ausbeute. "Es gelang uns zunächst nicht, das Zielprodukt zu erhalten, aber wir waren dennoch zuversichtlich, dass die Synthese erfolgreich war, weil die rechnerische Vorhersage so konkret war. Das hat uns ermutigt, weiterzumachen", sagt Tsuyoshi Mita von der Gruppe. "Es dauerte nur zwei Monate, um die Synthese zu erreichen, was deutlich schneller als ein typischer Entwicklungsprozess ist. Es spart erhebliche Forschungszeit, weil ein Computer die Durchführbarkeit der Synthese von Zielverbindungen und deren chemische Ausbeute vorhersagt.
"Die AFIR-Methode ist für die Durchführung organischer Synthesen der nächsten Generation von entscheidender Bedeutung", sagt Satoshi Maeda, der die Methode entwickelt hat. "Wir gehen davon aus, dass unsere Methode bei der effektiven Herstellung von Feinchemikalien und funktionellen Materialien sowie bei der Entdeckung neuer Medikamente Anwendung finden wird. Die Gruppe erstellt eine Datenbank der durch die AFIR-Methode gefundenen Pfade und hofft, sie zusammen mit Informationswissenschaftlern zu nutzen, um die Entwicklung neuer chemischer Reaktionen zu beschleunigen.
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