Исследователи Томского политехнического университета в составе международной команды научных работников разработали инновационный химический инструмент, который позволяет создавать азотсодержащие молекулы. Эти молекулы служат основой для будущих лекарств и органической электроники. Применяемая технология дает возможность "пересобрать" молекулу за одну реакцию, соединяя два атома азота напрямую. В ходе экспериментов было установлено, что эффективность нового метода достигает 92% по выходу целевого вещества.
Поддержка исследования поступила от Министерства науки и высшего образования Российской Федерации. Результаты работы ученых опубликованы в престижном журнале Nature Communications (Q1, IF: 18,1).
Циклические соединения, содержащие азот-азотные связи, играют важную роль в медицине и фармакологии благодаря своей уникальной структуре и химическим свойствам. Из таких соединений изготавливают красители, светочувствительные материалы и компоненты для органической электроники. Они также являются основой для разработки противовоспалительных препаратов и молекул, взаимодействующих с ферментами и рецепторами.
Методы прямого получения соединений с азот-азотной связью традиционно сложны. В большинстве случаев их получают из веществ, в которых эта связь уже присутствует. Учёные вынуждены "достраивать" молекулу в несколько этапов, что делает процесс трудоемким и ограничивает выбор конечных продуктов. Альтернативные методы требуют сложных каталитических систем и реагентов, что также усложняет и замедляет процесс синтеза.
Ученые Томского политеха предложили новую методику — скелетное редактирование, позволяющее в одном реакционном шаге получать соединения с азот-азотными связями. Основной принцип технологии заключается в "перекраивании" молекулы: связи внутри исходной молекулы разрываются, меняется расположение атомов, и в итоге между двумя атомами образуется новая связь. Данная методика позволяет, подобно конструктору, изменять начальные компоненты и производить множество различных соединений по одной общей схеме. Это особенно важно для сферы медицинской химии, где необходимо быстро синтезировать множество похожих молекул для последующего сравнения их биологических свойств, что поможет в выборе наиболее эффективной основы для будущих лекарств.
В качестве исходного вещества для исследований ученые выбрали оксадиазолидиноны — устойчивые пятичленные соединения, которые можно получить из распространенных бензальдегидов и нитроаренов. Эти соединения были соединены с алкинами или алкенами с кратными углерод-углеродными связями. Реакция проходила с добавлением йодида меди(I), который активировал связь азот-кислород, способствовал разрыву исходного кольца и отделению углекислого газа, а затем направлял сборку нового кольцевого каркаса с азот-азотной связью.
Лабораторные эксперименты продемонстрировали, что новая технология с использованием алкинов позволила создать более 30 соединений с выходами целевого вещества с азот-азотной связью от 62% до 89%. При применении алкенов были получены более 40 соединений с выходом целевого продукта до 92%. Ученые подтвердили структуру полученных соединений с помощью монокристальной рентгеновской дифракции.
Расчеты показывают, что предложенная технология может быть применима для широкого спектра химических групп, включая позднюю модификацию сложных молекул. Это означает, что на заключительных стадиях синтеза возможно добавление азотсодержащего цикла к молекуле без разрушения ее остальных частей. В перспективе это упростит процесс получения библиотек соединений для фармацевтического скрининга, разработку новых функциональных материалов и модиффикацию сложных природных веществ.
Будущие исследования ученых будут сосредоточены на расширении перечня подходящих веществ и на разработке стереоселективной версии синтеза, что позволит контролировать трехмерное строение создаваемых молекул.
В работе над исследованием принимали участие ученые лаборатории "Химическая инженерия и молекулярный дизайн" Исследовательской школы химических и биомедицинских технологий Томского политеха, Педагогического университета Цзянсу (Китай) и Королевского технологического института (Швеция).