В процессе работы команда сделала инновационное открытие. Изменив тип электрохимического реактора, исследователи смогли получить два совершенно разных продукта, причем оба полезны в медицинской химии.

Результаты опубликованы 5 января в журнале Nature. Соавторами статьи являются постдоки Пэн Ю и Вэнь Чжан, а также Гуо-Куан Сун из Сычуаньского университета в Китае.

Команда из Корнелла под руководством Сонга Лина, профессора химии и химической биологии в Колледже искусств и наук, ранее уже применяла электрохимический процесс для сшивания простых молекул углерода и образования сложных соединений без использования драгоценных металлов или других катализаторов для продвижения химической реакции.

Для нового проекта они выбрали более конкретную цель: пиридин, второе по распространенности гетероциклическое соединение в лекарствах, одобренных FDA. Гетероциклы — это органические соединения, в которых атомы молекул связаны в кольцевые структуры, по крайней мере один из которых не является углеродом. Эти структурные единицы считаются «фармакофорами» за их частое присутствие в лекарственно активных соединениях. Они также часто встречаются в агрохимикатах.

Целью исследователей было получение карбоксилированных пиридинов, т.е. пиридинов с присоединенным к ним диоксидом углерода. Преимущество присоединения углекислого газа к пиридиновому кольцу заключается в том, что это может изменить функциональность молекулы и потенциально помочь ей связываться с определенными мишенями, такими как белки. Однако эти две молекулы не являются естественными партнерами. Пиридин — реактивная молекула, а углекислый газ, как правило, инертен.

Существует очень мало способов прямого введения диоксида углерода в пиридин, — говорит Лин, соавтор статьи, вместе с Да-Ган Ю из Сычуаньского университета.

Существующие методы имеют очень серьезные ограничения.

Лаборатория Лина объединила свои знания в области электрохимии со специализацией группы Ю по использованию углекислого газа в органическом синтезе, и им удалось успешно создать карбоксилированные пиридины.

Электрохимия дает вам возможность набрать потенциал, достаточный для активации даже самых инертных молекул, — сказал Лин.

Именно так мы смогли добиться этой реакции.

Сенсационное открытие команды произошло во время проведения электросинтеза. Химики обычно проводят электрохимическую реакцию одним из двух способов: в неразделенной электрохимической ячейке (в которой анод и катод, подающие электрический ток, находятся в одном растворе) или в разделенной электрохимической ячейке (в которой анод и катод разделены пористой перегородкой, блокирующей крупные органические молекулы, но пропускающей ионы). Один подход может быть эффективнее другого, но оба они производят один и тот же продукт.

Группа Лина обнаружила, что при переходе от разделенной к неразделенной ячейке они могут избирательно присоединять молекулу углекислого газа к различным позициям пиридинового кольца, создавая два разных продукта: С4-карбоксилирование в неразделенной ячейке и С5-карбоксилирование в разделенной ячейке.

Мы впервые обнаружили, что, просто меняя ячейку, которую мы называем электрохимическим реактором, можно полностью изменить продукт, — заявил Лин.

Я думаю, что понимание механики того, почему это произошло, позволит нам продолжить применять ту же стратегию к другим молекулам, не только пиридинам, и, возможно, создавать другие молекулы таким избирательным, но контролируемым способом. Я думаю, что это общий принцип, который можно распространить на другие системы.