化学家在三维分子结构的光介合成中取得突破

化学家将此实验装置用于光化学反应。

近几十年来，有机和药物化学的主要目标是快速合成三维分子，以开发新药。与主要是扁平的分子结构相比，这些候选药物表现出多种改进的特性，这在临床试验中通过更高的功效和成功率得到反映。但是，只能使用先前的方法以巨额成本生产或根本不能生产它们。

现在，由明斯特大学的Frank Glorius教授及其同事M. Kevin Brown教授（美国布卢明顿印第安纳大学）和肯德尔N. Houk教授（美国加利福尼亚大学，美国洛杉矶）领导的化学家已经成功地进行了转化几类扁平的含氮分子变成所需的三维结构。通过使用100多个新颖的示例，他们能够证明该过程的广泛适用性。该研究现已发表在《科学》杂志上。

光介导的能量转移克服了能量障碍

合成三维体系结构的最有效方法之一是将分子添加到另一种分子中，称为环加成。在这个过程中，分子之间形成了两个新的键和一个新的环。对于芳族体系-即平坦且特别稳定的环化合物-该反应在以前的方法中不可行。即使施加热量也无法克服抑制这种环加成的能垒。因此，“科学”一文的作者探索了通过光介导的能量转移克服这一障碍的可能性。

通过光化学合成（图示），将含氮的扁平分子转变为三维分子。箭头上的汉字表示“光”。

“在自然界中也发现了利用光能来构建更复杂的化学结构的主题，”弗兰克·格劳留斯（Frank Glorius）解释说。“就像植物在光合作用中利用光从简单的构建基二氧化碳和水合成糖分子一样，我们使用光介导的能量转移从平坦的基本结构中产生复杂的三维目标分子。”

用于药物应用的新药候选者？

科学家指出了该方法的“巨大可能性”。该小组在《科学》杂志上提出的新颖的，非常规的结构基序将大大扩展药物化学家在寻找新药物时可以考虑的分子范围：例如，含氮且与药物高度相关的基本结构单元，例如喹啉由于选择性和反应性问题，几乎没有使用过苯二酚，异喹啉和喹唑啉。通过光介导的能量转移，它们现在可以与各种结构上不相干的烯烃结合，以获得新颖的三维候选药物或它们的骨架。

化学家还利用他们的专业知识为药物应用铺平了道路，为进一步加工这些合成的骨架展示了各种创新的转化方法。该方法的实用性和所需原材料的可用性对于该技术的未来使用至关重要：所用分子可以低成本或易于生产的方式商购获得。

“我们希望这一发现将为新型药物的开发提供新的动力，并将以跨学科的方式加以应用和进一步研究，”马佳佳解释说。凯文·布朗补充说：“我们的科学突破在发现农作物保护剂及其他方面也将具有重要意义。”

实验和计算化学的协同作用

该研究的另一个特殊特征：科学家不仅在分析和实验上，而且通过“计算化学”详细阐明了首次产生的分子的反应机理和确切结构：Kendall Houk和Chen Shuming Chen对反应进行了详细的计算机辅助建模。他们能够证明这些反应如何发挥作用，以及为什么它们会选择性地发生。

“这项研究是实验和计算理论化学协同作用的主要例证，”现任俄亥俄州Oberlin学院教授的Shuming Chen强调。Kendall Houk补充说：“我们对反应性概念的详细阐述和理解将使科学家能够开发互补的方法，并利用我们所学的知识设计出更有效的合成路线，”。

出版物背后的故事

使用光介导的能量传递方法，马加家/弗兰克·格劳乌斯（明斯特大学）和Renyu Guo /凯文·布朗（印第安纳大学）均获得了成功。通过与UCLA的Kendall Houk和Chen Shuming Chen的合作，两个研究小组了解到了相互发现的情况。这三个小组决定进一步共同研究结果，以便尽快与科学界分享他们的突破，并为药物化学家提供这项技术以开发新药。

参考：马佳佳，陈淑明，彼得·贝洛蒂，郭仁玉，菲利克斯·谢弗，阿恩·休斯勒，张晓龙，康斯坦丁·丹尼柳克，凯文·布朗，肯德尔·N·胡克和弗兰克·格洛里乌斯（26） 2021年3月，Science.DOI：
10.1126 / science.abg0720

资金：该研究获得了德国研究基金会（莱布尼兹奖，优先项目2102和合作研究中心858），欧洲研究理事会（H2020 ERC）和阿尔弗雷德·克虏伯·冯·博伦·德·哈尔巴赫基金会的资助。在美国方面，这项研究得到了美国国立卫生研究院和国家科学基金会的资助。