Une collaboration en chimie a conduit à une manière créative d’utiliser le dioxyde de carbone à bon escient, voire sain : en l’incorporant, par électrosynthèse, dans une série de molécules organiques vitales pour le développement pharmaceutique.
Dans le processus, l’équipe de recherche a fait une découverte novatrice. En changeant le type de réacteur électrochimique, ils pourraient produire deux produits complètement différents, tous deux utiles en chimie médicinale.
L’article de l’équipe, « Electrochemical Reactor Dictates Site Selectivity in N-Heteroarene Carboxylations », a été publié le 5 janvier dans La nature. Les co-auteurs principaux de l’article sont les chercheurs postdoctoraux Peng Yu et Wen Zhang, et Guo-Quan Sun de l’Université du Sichuan en Chine.
L’équipe de Cornell, dirigée par Song Lin, professeur de chimie et de biologie chimique au Collège des arts et des sciences, a déjà utilisé le processus d’électrochimie pour assembler des molécules de carbone simples et former des composés complexes, éliminant ainsi le besoin de métaux précieux ou d’autres catalyseurs. pour favoriser la réaction chimique.
Pour le nouveau projet, ils ont jeté leur dévolu sur une cible plus spécifique : la pyridine, le deuxième hétérocycle le plus répandu dans les médicaments approuvés par la FDA. Les hétérocycles sont des composés organiques dans lesquels les atomes des molécules sont liés dans des structures cycliques, dont au moins l’une n’est pas du carbone. Ces unités structurelles sont considérées comme des « pharmacophores » pour leur présence fréquente dans des composés médicalement actifs. On les trouve aussi couramment dans les produits agrochimiques.
L’objectif des chercheurs était de fabriquer des pyridines carboxylées, c’est-à-dire des pyridines auxquelles était ajouté du dioxyde de carbone. L’introduction de dioxyde de carbone dans un cycle pyridine présente l’avantage de pouvoir modifier la fonctionnalité d’une molécule et potentiellement l’aider à se lier à certaines cibles, telles que les protéines. Cependant, les deux molécules ne sont pas des partenaires naturels. La pyridine est une molécule réactive, tandis que le dioxyde de carbone est généralement inerte.
« Il existe très peu de moyens d’introduire directement du dioxyde de carbone dans une pyridine », a déclaré Lin, co-auteur principal de l’article, avec Da-Gang Yu de l’Université du Sichuan. « Les méthodes actuelles ont des limites très sévères. »
Le laboratoire de Lin a combiné son expertise en électrochimie avec la spécialisation du groupe de Yu dans l’utilisation du dioxyde de carbone dans la synthèse organique, et ils ont réussi à créer des pyridines carboxylées.
« L’électrochimie vous donne cet effet de levier pour composer le potentiel suffisant pour activer même certaines des molécules les plus inertes », a déclaré Lin. « C’est ainsi que nous avons pu obtenir cette réaction. »
La découverte fortuite de l’équipe a émergé alors qu’ils effectuaient l’électrosynthèse. Les chimistes exécutent généralement une réaction électrochimique de l’une des deux manières suivantes : dans une cellule électrochimique non divisée (dans laquelle l’anode et la cathode qui fournissent le courant électrique sont dans la même solution) ou dans une cellule électrochimique divisée (dans laquelle l’anode et la cathode sont séparées par un diviseur poreux qui bloque les grosses molécules organiques mais laisse passer les ions). Une approche peut être plus efficace que l’autre, mais elles produisent toutes les deux le même produit.
Le groupe de Lin a découvert qu’en passant d’une cellule divisée à une cellule non divisée, ils pouvaient attacher sélectivement la molécule de dioxyde de carbone à différentes positions du cycle pyridine, créant ainsi deux produits différents : la carboxylation C4 dans la cellule non divisée et la carboxylation C5 dans la cellule divisée.
« C’est la première fois que nous découvrons qu’en changeant simplement la cellule, ce que nous appelons le réacteur électrochimique, vous changez complètement le produit », a déclaré Lin. « Je pense que la compréhension mécaniste de la raison pour laquelle cela s’est produit nous permettra de continuer à appliquer la même stratégie à d’autres molécules, pas seulement aux pyridines, et peut-être à fabriquer d’autres molécules de cette manière sélective mais contrôlée. Je pense que c’est un principe général qui peut être généralisé. à d’autres systèmes. »
Bien que la forme d’utilisation du dioxyde de carbone du projet ne résolve pas le défi mondial du changement climatique, a déclaré Lin, « c’est un petit pas vers l’utilisation utile du dioxyde de carbone excessif ».
Les co-auteurs comprenaient le chercheur postdoctoral Yi Wang et le doctorant Zhipeng Lu ; et des chercheurs de l’Université du Sichuan.
Plus d’information:
Guo-Quan Sun et al, Le réacteur électrochimique dicte la sélectivité du site dans les carboxylations de N-hétéroarène, La nature (2023). DOI : 10.1038/s41586-022-05667-0