Inspiré par votre foie et activé par la lumière, un processus chimique développé dans les laboratoires de l’Université Rice et en Chine est prometteur pour la conception de médicaments et le développement de matériaux uniques.
Des chercheurs dirigés par le chimiste de riz Julian West et Xi-Sheng Wang de l’Université des sciences et technologies de Chine, Hefei, rapportent leur processus catalytique réussi pour ajouter simultanément deux groupes fonctionnels distincts à des alcènes uniques, des molécules organiques tirées de produits pétrochimiques qui contiennent au moins une double liaison carbone-carbone associée à des atomes d’hydrogène.
Mieux encore, disent-ils, c’est que ces alcènes sont « désactivé« – c’est-à-dire qu’ils manquent d’atomes réactifs près de la double liaison – et jusqu’à présent, ils se sont avérés difficiles à améliorer.
La voie chimique détaillée dans le Journal de l’American Chemical Society pourrait simplifier la création d’une bibliothèque de précurseurs pour l’industrie pharmaceutique et améliorer la fabrication de polymères.
West, dont le laboratoire conçoit des processus de chimie synthétique, a déclaré que l’inspiration initiale provenait d’une enzyme, le cytochrome P450, que le foie utilise pour éliminer les molécules potentiellement nocives.
« Ces enzymes sont des sortes de scies circulaires qui broient les molécules avant qu’elles ne vous causent des ennuis », a-t-il déclaré. « Ils le font grâce à un mécanisme intéressant appelé rebond radical. »
West a déclaré que le P450 trouve des liaisons carbone-hydrogène et élimine l’hydrogène, laissant un radical centré sur le carbone qui comprend un électron non apparié.
« Cet électron veut vraiment trouver un partenaire, donc le P450 rendra immédiatement un atome d’oxygène (le » rebond « ), oxydant la molécule », a-t-il déclaré. « Dans le corps, cela aide à désactiver ces molécules pour que vous puissiez vous en débarrasser.
« Ce type de rebond est puissant », a déclaré West. « Et Harry (l’auteur principal Kang-Jie Bian, un étudiant diplômé de Rice) s’est demandé si nous pouvions faire quelque chose comme ça pour transférer différents fragments sur ce radical. »
Leur solution était de permettre ce qu’ils appellent le transfert de ligand radical, une méthode générale qui utilise le manganèse pour catalyser le « rebond radical ».
West a déclaré que si le P450 utilise l’élément voisin, le fer, pour catalyser la réaction biologique, des expériences antérieures au laboratoire Rice et ailleurs ont montré que le manganèse avait un potentiel.
« Le manganèse a aidé le processus à être plus sélectif et un peu plus actif, ainsi qu’à être beaucoup moins cher et plus facile », a-t-il expliqué. « Il peut transférer un tas d’atomes différents, comme le chlore, l’azote et le soufre, simplement en changeant l’ingrédient commercial que vous ajoutez à la réaction. »
Cette réaction a représenté une fonctionnalisation. Pourquoi ne pas partir à deux ?
West a déclaré que Bian avait également eu l’idée d’ajouter un photocatalyseur au mélange. « Lorsque vous l’éclairez, il devient excité et vous pouvez faire des choses qui seraient impossibles à l’état fondamental, comme activer de petites molécules de fluorocarbone pour fabriquer des fragments radicaux qui ont des liaisons carbone-fluor, qui sont importantes pour la science pharmaceutique et des matériaux, » il a dit. « Maintenant, nous pouvons les attacher à notre molécule d’intérêt. »
Le résultat final est un processus doux et modulaire pour ajouter deux groupes fonctionnels à un seul alcène en une seule étape.
« Nous avons d’abord la double liaison carbone-carbone d’une molécule d’intérêt, l’alcène », a déclaré West, résumant. « Ensuite, nous ajoutons ce précieux fluorocarbure, puis le catalyseur au manganèse nage et effectue ce transfert de ligand radical pour ajouter un atome de chlore, d’azote ou de soufre. »
Il a noté que la collaboration entre Rice et le laboratoire de Wang était le résultat naturel du déménagement de Bian à Rice depuis Hefei, où il a obtenu sa maîtrise. « Nous nous sommes vraiment concentrés sur l’aspect manganèse de ce travail, et le groupe de Wang a non seulement apporté son expertise en photocatalyse, mais a également développé et testé des fragments de carbone-fluor, et a montré qu’ils fonctionneraient très bien dans ce système », a déclaré West.
Il a déclaré qu’avec les sciences pharmaceutiques et des matériaux, la biologie chimique pourrait également bénéficier du processus, en particulier pour son affinité avec pCliquezune méthode découverte par le chimiste de Rice Han Xiao pour attacher des médicaments ou d’autres substances aux anticorps.
Les co-auteurs sont le premier cycle de Rice, David Nemoto Jr. et l’étudiant diplômé Shih-Chieh Kao, ainsi que Yan He et Yan Li de Hefei. Wang est professeur à Hefei. West est le Norman Hackerman-Welch Young Investigator et professeur adjoint de chimie.
Kang-Jie Bian et al, Difonctionnalisation modulaire d’alcènes non activés par catalyse de transfert de ligand radical bio-inspiré, Journal de l’American Chemical Society (2022). DOI : 10.1021/jacs.2c04188