В природе есть животные, которые производят волокна, которые являются прочными и эластичными. Например, нить, которую пауки производят для плетения паутины. Эти волокна имеют полипептидную структуру и служат источником вдохновения для исследований по разработке функциональных материалов. Альфа (α)-аминокислота N-Карбоксиангидриды (NCA) являются предшественниками искусственных полипептидов. Однако это соединение легко разлагается, что затрудняет его промышленное получение. Следовательно, необходимо синтезировать нужное количество α-аминокислотных NCA в том месте и в то время, когда они требуются. NCA обычно синтезируются из аминокислот растительного происхождения и фосгена. Однако фосген чрезвычайно токсичен и опасен в использовании, что приводит к растущему спросу на новые химические соединения и реакции, которыми можно его заменить. Используя ранее разработанный метод фосгенирования "фото по требованию", исследовательская группа адъюнкт-профессора ЦУДЫ Акихико из Высшей школы науки Университета Кобе преуспела в синтезе NCA безопасным, недорогим и простым способом из хлороформа (обычного органического растворителя) и аминокислоты.

Патенты были поданы в связи с этим исследованием в ноябре 2018 года и ноябре 2019 года. Научная статья была опубликована онлайн в ACS Омега 19 октября 2022 года.

Основные моменты

• Безопасный синтез полипептидных предшественников (NCA) на месте и по требованию с использованием света.
• Исследовательской группе удалось синтезировать 11 типов NCA из хлороформа (обычного органического растворителя) и коммерческой аминокислоты.
• В лаборатории им удалось синтезировать эти вещества в масштабе до десяти граммов (и это может быть увеличено до производства в килограммовом масштабе).
• По сравнению с традиционным методом синтеза (с использованием фосгена) и методами замещения фосгена сырье дешевле, работа проще и образуется меньше отходов. Это могло бы снизить затраты, а также нагрузку на окружающую среду.
• Реакции способствует видимый свет, и теоретически возможно провести эту реакцию синтеза с использованием солнечного света
• Эти результаты исследований ускорят разработку промышленностью / научными кругами функциональных полипептидов биологического происхождения.
• Есть надежда, что эти методы станут устоявшимися методами, которые внесут значительный вклад в достижение ЦУР и усилия по обеспечению углеродной нейтральности.

Предпосылки исследования

Фосген (CoCl₂) используется в качестве прекурсора для полимеров и в качестве фармацевтического промежуточного продукта. Мировой рынок фосгена продолжает расти на несколько процентов каждый год, ежегодно производя от 8 до 9 миллионов тонн. Однако фосген чрезвычайно токсичен. По соображениям безопасности проводятся исследования и разработки с целью поиска альтернатив. В ходе первого в мире открытия исследовательская группа адъюнкт-профессора Цуды облучила хлороформ ультрафиолетовым светом, что привело к его реакции с кислородом и получению высоких выходов фосгена (патент № 5900920). Чтобы сделать это еще более безопасным и простым способом, исследовательская группа нашла способ, позволяющий мгновенно проводить реакции, генерирующие фосген. Сначала они растворили реагенты и катализаторы в хлороформе и получили фосген путем облучения раствора светом (патент № 6057449). Таким образом, органический синтез на основе фосгена может быть осуществлен так, как если бы фосген не использовался.

Исследовательская группа назвала свое открытие "методом органического синтеза по запросу" и успешно использовала его для синтеза многочисленных полезных органических химикатов и полимеров (список патентов (на японском языке): Патенты лаборатории Цуда). Например, они успешно синтезировали большие количества хлороформата и карбоната безопасным, недорогим и простым способом, просто облучая светом смешанный раствор хлороформа и спирта (с добавлением основы по мере необходимости).

Эти весьма оригинальные реакции, разработанные в Университете Кобе, были усовершенствованы благодаря сотрудничеству с отечественными химическими компаниями, и конечной целью этого исследования является практическая реализация. С добавлением финансирования от JST A-STEP проводятся дальнейшие прикладные исследования, а также разработка функционального полиуретана с использованием этого метода синтеза.

Метод органического синтеза "фото по требованию" отличается высокой безопасностью и экономичностью, а также низким воздействием на окружающую среду. Следовательно, он привлек внимание как промышленности, так и научных кругов как устойчивый метод химического синтеза (Основные моменты лаборатории Цуда (на японском языке)).

Методология исследования

В этом исследовании α-аминокислота N-Карбоксиангидриды (NCA) были успешно синтезированы из исходного хлороформа и α-аминокислоты с использованием метода "фото по требованию". NCA является предшественником полипептида. Хотя α-аминокислота легко растворяется в воде, она не растворяется в хлороформе. Это означало, что исследовательская группа не смогла синтезировать NCA с использованием предыдущего метода "фото по требованию". Однако они обнаружили, что, добавляя ацетонитрил (CH₃CN), который можно смешать с водой и хлороформом в качестве растворителя, можно получить высокий выход (около 91%) NCA. Ожидалось, что реакция не будет протекать нормально, поскольку ацетонитрил поглощает свет, препятствуя фотоокислению хлороформа.

Удивительно, но исследователи обнаружили, что реакция произошла, несмотря на это препятствие, что привело к успешным результатам этого исследования. Помимо исходного материала (аминокислоты), разлагаемого светом, эта фотореакция также может быть использована для получения NCA, которые обычно синтезируются с использованием фосгенового метода. На данный момент исследовательская группа успешно синтезировала 11 типов NCA, используя эту фотореакцию.

Подробная разбивка метода синтеза приведена ниже. Сначала α-аминокислоту суспендируют в смешанном растворе хлороформа и ацетонитрила. Затем его подвергают фотооблучению в течение двух-трех часов при температуре 70°C. После выключения лампы NCA образуется путем нагревания и перемешивания раствора в течение примерно одного часа. Этот продукт может быть экстрагирован и очищен для получения высокочистого NCA. Фотоокислению хлороформа способствует цепная реакция радикалов, которая инициируется легким расщеплением связей C-Cl. Таким образом, синтез может быть достигнут в масштабе до 10 граммов, просто увеличив размер реакционного контейнера и сохранив источник света прежним. Есть надежда, что при дальнейшем расширении масштабов этого метода его можно будет использовать в широком спектре областей, начиная от научных кругов и заканчивая химической промышленностью.

Дальнейшие события

Новый метод синтеза NCA "Фото по требованию", разработанный в рамках этого исследования, позволяет синтезировать большое количество NCA (которые являются предшественниками полипептидов) безопасным, недорогим и простым способом. Это простое получение NCA подстегнет исследования и разработки искусственных полипептидов, которые, как мы надеемся, приведут к созданию новых материалов, таких как новые функциональные полипептидные волокна, которые будут превосходить натуральные волокна, производимые животными. Кроме того, ожидается, что синтез этих новых полипептидных волокон с использованием аминокислот растительного происхождения в качестве закваски позволит разработать биоматериалы следующего поколения, отвечающие потребностям времени. Цель Tsuda group заключается в промышленном внедрении метода синтеза NCA "фото по требованию". С этой целью они предлагают заинтересованным компаниям патентные лицензии и рекомендации о том, как использовать эти методы, в дополнение к продолжению своих исследований и разработок. Они надеются еще больше развить это исследование, сотрудничая с промышленными предприятиями.