Карбоновые кислоты — это основа множества биологически активных молекул и удобный строительный блок для химиков. Их можно превращать в карбоксильные радикалы, которые затем участвуют в создании новых связей — углерод-углеродных или углерод-гетероатомных. Это крайне полезно при разработке лекарств и новых материалов. Проблема в том, что до сих пор не было дешевых и эффективных методов для таких реакций.

Ученые из WPI-ICReDD и Университета Шидзуоки нашли решение. Они предложили простой метод с использованием ксантона — доступного органического фотосенсибилизатора. Ксантон действует как катализатор, выборочно разрывая связь O–H в карбоновых кислотах и превращая их в радикалы. Результаты опубликованы в издании Journal of the American Chemical Society.

Обычно разорвать O–H сложнее, чем соседние C–H связи, но ксантон справляется с этой задачей благодаря водородным связям. Их роль предсказали с помощью метода AFIR — компьютерного моделирования, разработанного в ICReDD. Оказалось, что ксантон одинаково хорошо активирует и O–H, и C–H, но водородные связи (это слабое притяжение между атомами водорода и кислорода) смещают равновесие в нужную сторону.

Водородная связь — слабое взаимодействие между атомом водорода (с частичным положительным зарядом) и электроотрицательным атомом (кислород, азот). Она не такая прочная, как ковалентная связь, но влияет на структуру молекул и ход реакций.

Эксперименты подтвердили: в 90% случаев разрывается именно O–H связь. В зависимости от субстрата реакция шла либо через декарбоксилирование, либо через функционализацию бензильного фрагмента. Метод показал отличную совместимость с разными соединениями — более 40 примеров реакций с образованием связей C–C, C–Cl и C–S.

Работать с командой из Шидзуоки было потрясающе. Особенно приятно, что метод AFIR, разработанный у нас, помог предсказать новый тип активации кислот, — говорит Хироки Хаяши, доцент WPI-ICReDD.

Совместная работа с Хаяши-саном — большая честь. Мы объединили эксперимент и расчеты и открыли новый способ фотокатализа. Теперь я вижу, насколько мощным инструментом может быть AFIR, — добавляет Кендзи Ямашита, ассистент-профессор Университета Шидзуоки.

Этот метод дешев, почти не дает отходов и подходит для фармацевтики и материаловедения. А главное — он открывает дорогу для новых способов генерации радикалов.

Этот метод может удешевить синтез многих лекарств, поскольку ксантон — дешевый катализатор, а карбоновые кислоты — доступные реагенты. Например, так можно упростить производство противовоспалительных или антибактериальных препаратов. В материаловедении метод поможет создавать новые полимеры с заданными свойствами.

Хотя метод эффективен, пока неясно, как он поведет себя с более сложными субстратами — например, с многофункциональными молекулами, где есть конкурирующие реакции. Также не исследована масштабируемость: лабораторные условия — одно, а промышленный процесс — другое.

Ранее ученые нашли способ ускорить создание лекарств от рака.