درج دقیق اتم کربن به کمک این روش الکتروشیمیایی نوین!

به گزارش مجله خبری نگار/برنا،تیمی از پژوهشگران دانشگاه ملی یوکوهاما در ژاپن موفق به توسعه‌ی یک روش الکتروشیمیایی نوآورانه شده‌اند که امکان درج دقیق تک‌اتمی کربن در موقعیت «پار» (para) بر روی ترکیبات «پیرول‌های چندجانشینی» را فراهم می‌کند. این دستاورد که در مجله‌ی معتبر Journal of the American Chemical Society منتشر شده، می‌تواند تحول چشمگیری در شیمی آلی سنتزی و به‌ویژه در صنعت داروسازی ایجاد کند.

ماهیتو آتوبه، استاد دانشکده مهندسی دانشگاه ملی یوکوهاما و نویسنده اصلی این پژوهش می‌گوید: ما به دنبال حل یکی از چالش‌های دیرینه در شیمی آروماتیک بودیم: درج دقیق یک اتم کربن در حلقه‌ی آروماتیک با کنترل کامل موقعیت.

در شیمی آلی، ایجاد تغییر در ساختار حلقه‌های آروماتیک اساس تولید بسیاری از دارو‌ها و مواد پیشرفته محسوب می‌شود. با این حال، افزودن تنها یک اتم کربن در موقعیت خاصی از حلقه‌ی آروماتیک، به‌ویژه موقعیت پارا (که در آن جانشین‌ها در دو سوی متقابل حلقه قرار دارند)، کاری بسیار دشوار بوده است. روش جدید ارائه‌شده، به‌طور مستقیم یک اتم کربن را به چارچوب مولکولی وارد می‌کند و بدین ترتیب امکان افزایش طول زنجیره‌های کربنی یا گسترش حلقه‌های شیمیایی با دقت بالا فراهم می‌شود.

ارائه یک راهبرد الکتروشیمیایی نوین برای ویرایش دقیق مولکول‌ها

آتوبه در ادامه افزود: هدف ما توسعه روشی مبتنی بر الکتروشیمی بود که این دگرگونی را به شکل انتخاب‌پذیر و کارآمد امکان‌پذیر کند، در حالی که درک دقیقی از نقش ساختار الکترونیکی ماده اولیه در کنترل موقعیت درج داشته باشیم.

در این مطالعه پژوهشگران مفهومی نو را در حوزه‌ی درج تک‌کربنه ارائه می‌دهند که می‌تواند ابزار‌های جدیدی برای سنتز ترکیبات (هترو) آروماتیک چندجانشینی در اختیار شیمی‌دانان قرار دهد. ترکیباتی که حلقه‌ی پیرول دارند و چندین گروه جانشین به آن متصل هستند، نقش کلیدی در حوزه‌هایی مانند مواد طبیعی، داروسازی و مواد عملکردی ایفا می‌کنند. این ترکیبات به‌ویژه در صنعت داروسازی اهمیت دارند، چراکه در ساخت بسیاری از دارو‌های تاییدشده استفاده می‌شوند.

بیشتر بخوانید

محققان ایرانی دستگاه تحریک الکتریکی مغز و عضله ساختند

سلول‌های هوشمند با پردازنده‌های پروتئینی ساخته شد

ژن کلیدی کشف شد!

نائوکی شیدا، استادیار دانشکده مهندسی دانشگاه ملی یوکوهاما و از اعضای تیم تحقیق، می‌گوید: ما روشی الکتروشیمیایی کشف کردیم که امکان درج تک‌کربن به‌صورت انتخابی و دقیق در موقعیت پارا بر روی پیرول‌های چندجانشینی را فراهم می‌کند؛ دگرگونی‌ای که پیش از این هرگز مشاهده نشده بود.

این واکنش از طریق حدواسط‌های رادیکال کاتیونی دیستونیک انجام می‌شود و کنترل آن وابسته به ویژگی‌های الکترونیکی گروه‌های محافظت‌کننده‌ی نیتروژن است. شیدا در ادامه گفت: یافته‌های ما یک راهبرد جدید برای ویرایش مولکولی حلقه‌های آروماتیک فراهم کرده و دامنه‌ی ابزار‌های شیمی آلی سنتزی را گسترش می‌دهد.

مکانیسم و اثبات مفهومی واکنش

تیم تحقیقاتی این واکنش انبساط حلقه‌ای را با استفاده از استر‌های دی‌آزو دارای α-H به‌عنوان معادل آنیونی کربینیل به انجام رساند. این روش امکان درج کارآمد یک اتم کربن در طیفی از ترکیبات پیرولی چندجانشینی را فراهم کرد و منجر به تولید مشتقات متنوعی از پیریدین شد.

در این فرآیند، موقعیت درج اتم کربن با استفاده از تأثیر الکترونیکی گروه محافظت‌کننده‌ی نیتروژن (PG) کنترل شد. برای نخستین بار، درج انتخابی در موقعیت پارا با افزودن گروه‌های الکترون‌کش به مشتقات پیرول امکان‌پذیر گردید.

برای اثبات مکانیسم واکنش، پژوهشگران از طیف‌سنجی درجا (in-situ spectroscopy) و محاسبات نظری بهره گرفتند. این داده‌ها حاکی از آن بود که حدواسط‌های رادیکال کاتیونی دیستونیک در مسیر واکنش حضور دارند و با تسهیل مهاجرت اتم کربن روی حلقه‌ی آروماتیک، درج انتخابی را ممکن می‌سازند.

کاربرد‌های دارویی و اهمیت ساختاری

ترکیباتی مانند نتوپیتانت (Netupitant)، ازومپرازول (Esomeprazole)، پیریدوکسین (Pyridoxine) و اوپیکاپون (Opicapone) که در درمان‌هایی نظیر بیماری پارکینسون، زخم‌های معده و تهوع ناشی از شیمی‌درمانی کاربرد دارند، همگی حاوی حلقه‌های بنزن یا پیریدین با بیش از سه گروه جانشین هستند. ساخت چنین ترکیبات پیچیده‌ای تاکنون متکی بر روش‌هایی همچون واکنش‌های جفت‌سازی، فعال‌سازی پیوند کربن–هیدروژن و حلقه‌زایی بوده است.

درج تک‌اتمی کربن، راهبرد نسبتاً جدیدی در این میان است که می‌تواند به‌طور چشمگیری ساختار مولکول‌های پایه را تغییر دهد. با این حال، کنترل موقعیت درج اتم کربن تا پیش از این بسیار دشوار بود. روش الکتروشیمیایی جدید تیم ژاپنی، مفهوم تازه‌ای در این حوزه ارائه داده و افق‌های نوینی برای طراحی دارو‌ها گشوده است.

گسترش دامنه و مقیاس‌پذیری

آتوبه درباره آینده این پروژه گفت: گام بعدی ما، گسترش این واکنش به طیف وسیع‌تری از ترکیبات هتروآروماتیک و مولکول‌های پیچیده‌تر از جمله پیش‌ماده‌های دارویی است. همچنین قصد داریم این روش را در سامانه‌های الکترولیز جریانی (flow electrolysis systems) به کار بگیریم تا مقیاس‌پذیری و بهره‌وری آن افزایش یابد.

او افزود: در نهایت هدف ما ایجاد یک بستر عمومی برای ویرایش دقیق چارچوب‌های آروماتیک با استفاده از الکتریسیته به‌عنوان نیرویی پاک، کنترل‌پذیر و پایدار است.