11.06.2020 - Hokkaido University

El nuevo método de síntesis química asistida por ordenador reduce el tiempo y el coste de la investigación

Una computadora predice la viabilidad de la síntesis de los compuestos objetivo y su rendimiento químico

Los científicos de la Universidad de Hokkaido han logrado sintetizar un derivado de α,α-difluoroglicina, un tipo de α-aminoácido, basado en una ruta de reacción predicha por cálculos químicos cuánticos. Este novedoso método, que combina la química experimental y la química computacional, podría innovar el desarrollo de nuevas reacciones químicas.

Además de ser los constituyentes básicos de los péptidos y las proteínas de nuestro cuerpo, α- los aminoácidos son esenciales para nuestra vida diaria. Se utilizan para los suplementos nutricionales, los aditivos alimentarios y muchos otros productos. Mientras que los α-aminoácidos naturales pueden ser sintetizados de forma barata a través de procesos de fermentación convencionales, los α-aminoácidos no naturales, que podrían añadir nuevas propiedades a los péptidos y las proteínas, se hacen generalmente a través de síntesis químicas.

En el estudio actual publicado en Chemical Science, un grupo de científicos del Instituto de Diseño y Descubrimiento de Reacciones Químicas de la universidad (WPI-ICReDD) se centró en la síntesis química de α,α-difluoroglicina, un aminoácido no natural fluorado α-aminoácido, que podría mejorar la estabilidad metabólica y la actividad biológica de la molécula. Sin embargo, ha sido difícil encontrar un método de síntesis eficaz para el aminoácido.

El diseño de nuevas reacciones basadas en la síntesis orgánica convencional requiere numerosos ensayos y errores en los experimentos y las ideas de los químicos expertos. En consecuencia, se ha requerido una enorme cantidad de tiempo y dinero para desarrollar una reacción innovadora.

Para superar este problema, WPI-ICREDD, el nuevo centro de investigación de la universidad, adoptó su tecnología básica denominada método de reacción inducida por fuerza artificial (AFIR). El AFIR es un método computacional que aplica fuerzas virtuales intermoleculares o intramoleculares para realizar una búsqueda sistemática de vías de reacción química. El grupo aplicó el método AFIR para llevar a cabo el llamado análisis retrosintético que utiliza cálculos químicos cuánticos para encontrar las vías de descomposición de un producto deseado antes de proponer vías sintéticas de manera inversa.

Buscaron las vías de descomposición de α,α-difluoroglicina y seleccionaron un grupo que incluía tres compuestos básicos y simples: amina, difluorocarbeno y dióxido de carbono. Sus cálculos predijeron que estos tres compuestos son capaces de producir el compuesto objetivo en un rendimiento del 99,99%.

Después de haber afinado varias condiciones de reacción, los químicos experimentales sintetizaron con éxito un derivado de α,α-difluoroglicina en un 80% de rendimiento. "Al principio no conseguimos el producto objetivo, pero aún así confiábamos en que la síntesis tuviera éxito porque la predicción computacional era muy concreta. Nos animó a seguir adelante", dice Tsuyoshi Mita del grupo. "Sólo nos llevó dos meses lograr la síntesis, que es significativamente más rápida que un proceso de desarrollo típico. Ahorra un tiempo de investigación significativo porque una computadora predice la viabilidad de la síntesis de los compuestos objetivo y sus rendimientos químicos".

"El método AFIR es fundamental para llevar a cabo las síntesis orgánicas de la próxima generación", dice Satoshi Maeda, que ideó el método. "Esperamos que nuestro método se aplique a la producción efectiva de química fina, materiales funcionales y al descubrimiento de nuevos fármacos". El grupo está elaborando una base de datos de las vías encontradas a través del método AFIR y espera utilizarla con los científicos de la información para acelerar el desarrollo de nuevas reacciones químicas.

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