Новый, простой и доступный метод создает эффективность

УНИВЕРСИТЕТ-ПАРК, Пенсильвания — Химические структуры, называемые циклопропанами, могут повысить эффективность и точно настроить свойства многих лекарств, но традиционные методы создания этой структуры работают только с определенными молекулами и требуют высокореактивных — потенциально взрывоопасных — ингредиентов. Теперь группа исследователей из штата Пенсильвания определила и продемонстрировала безопасный, эффективный и практичный способ создания циклопропанов на основе широкого спектра молекул с использованием ранее неописанного химического процесса. При дальнейшем развитии новый метод —описано в статье, опубликованнойв журнале Science — может изменить то, как происходит этот важный процесс во время разработки и создания лекарств.

Циклопропаны являются ключевым компонентом многих лекарств, одобренных в настоящее время Управлением по контролю за продуктами и лекарствами США, в том числе тех, которые используются для лечения COVID-19, астмы, гепатита С и ВИЧ/СПИДа. Эти структуры могут повысить эффективность препарата, изменить его способность растворяться в организме, свести к минимуму его взаимодействие с непредусмотренными целями и иным образом точно настроить эффективность. Циклопропаны представляют собой кольцо из трех связанных атомов углерода, причем один углерод прикреплен к остальной части молекулы лекарства, а два других - к двум атомам водорода.

«Циклопропаны являются важным компонентом многих лекарств, и их добавление к кандидатам на лекарства может стать важной частью процесса открытия лекарств», — сказал Рамеш Гири, профессор химии в Научном колледже Эберли в Пенсильванском университете и руководитель исследовательской группы. «Предыдущие усилия по улучшению создания циклопропанов были сосредоточены на изменении механистического пути, принятого более 60 лет назад. Мы подошли к этому под другим углом и определили совершенно новый путь, который является простым, практичным и широко применимым».

Новый метод преобразует определенную химическую структуру соединений, называемых алкенами, используемых в синтезе многих молекул, в циклопропаны. В этом методе используются преимущества «радикальной химии», когда на промежуточных этапах реакции остаются некоторые атомы углерода с неспаренными электронами, называемые свободными радикалами, которые ускоряют реакцию. Этот конкретный метод использует видимый свет для инициирования реакции и использует обычные химические ингредиенты, включая кислород.

Традиционные методы создания циклопропанов требуют высокореактивных и труднодоступных ингредиентов и должны проводиться в контролируемых условиях, а полученные соединения часто имеют очень короткий срок хранения. Эти нестабильные ингредиенты имеют решающее значение для производства промежуточного соединения в процессе, называемого карбеном — высокореактивным атомом углерода с двумя неспаренными электронами. Новый метод полностью обходит промежуточный карбен, производя неспаренные электроны по одному в виде радикалов.

«Все ингредиенты, используемые в этом пути, коммерчески доступны или их легко создать в лаборатории, и они не требуют каких-либо особых мер безопасности, а конечный продукт может храниться в течение длительного времени», — сказал Гири. «Мы можем смешать все ингредиенты в одну смесь, подвергая ее воздействию воздуха с содержанием кислорода всего 10 процентов, и это происходит за один этап. Реакция настолько проста и безопасна, что мы даже планируем включить ее в программу химической лаборатории для студентов».

Еще одним недостатком традиционных методов является то, что они обычно не работают со сложными молекулами. По этой причине циклопропаны обычно вводятся на ранних этапах синтеза, когда молекула менее сложна, но последующие шаги могут привести к раскрытию кольца, и более поздние попытки получить производные молекулы потребуют возврата к этим ранним шагам. Используя новый метод, исследователи успешно преобразовали различные алкены различной сложности в циклопропаны, включая фармацевтически важные соединения, такие как стероидный эстрон, пенициллин и витамин B.

«Мы исследовали весь диапазон сложности молекул, с которыми люди могут столкнуться во время синтеза лекарств», — сказал Гири. «В некоторых случаях традиционные методы могут позволить получить тот же конечный продукт, но за гораздо больше этапов. В других случаях традиционные методы не смогут создать эти продукты, поскольку исходные алкены слишком чувствительны или слишком сложны. Новый метод не только безопаснее, эффективнее и практичнее, но и имеет более широкий спектр применения, чем традиционные методы».