Animales como las arañas fabrican fibras que son fuertes y elásticas. Estas fibras tienen una estructura polipeptídica y sirven de inspiración para la investigación en el desarrollo de materiales funcionales. Los alfa-aminoácidos N-carboxianhídridos (NCA) son precursores de polipéptidos artificiales, sin embargo, son difíciles de producir. Usando el método de foto a pedido que desarrollaron previamente, un grupo de investigación ha sintetizado NCA de una manera segura, económica y simple a partir de cloroformo y aminoácidos.
En la naturaleza, hay animales que fabrican fibras que son fuertes y elásticas. Por ejemplo, el hilo que producen las arañas para hacer telarañas. Estas fibras tienen una estructura polipeptídica y sirven de inspiración para la investigación en el desarrollo de materiales funcionales. Alfa (α)-aminoácido norte-Los carboxianhídridos (NCA) son precursores de polipéptidos artificiales. Sin embargo, este compuesto se descompone fácilmente, lo que dificulta su obtención comercial. Por lo tanto, es necesario sintetizar la cantidad correcta de NCA de α-aminoácidos en el lugar y momento en que se requieren. Los NCA generalmente se sintetizan a partir de aminoácidos derivados de plantas y fosgeno. Sin embargo, el fosgeno es extremadamente tóxico y peligroso de usar, lo que lleva a una creciente demanda de nuevos compuestos químicos y reacciones que puedan sustituirlo. Usando el método de fosgenación de foto a pedido que desarrollaron previamente, el grupo de investigación del Profesor Asociado TSUDA Akihiko en la Escuela de Graduados de Ciencias de la Universidad de Kobe logró sintetizar NCA de una manera segura, económica y simple a partir de cloroformo (un solvente orgánico común) y amino ácido.
Se presentaron patentes en relación con este estudio en noviembre de 2018 y noviembre de 2019. El artículo académico se publicó en línea en ACS Omega el 19 de octubre de 2022.
Puntos principales
- Síntesis segura in situ y bajo demanda de precursores de polipéptidos (NCA) utilizando luz.
- El grupo de investigación logró sintetizar 11 tipos de NCA a partir de cloroformo (un solvente orgánico común) y aminoácidos comerciales.
- En el laboratorio, lograron sintetizar estas sustancias en una escala de hasta diez gramos (y esto se puede escalar para la producción en una escala de kilogramos)
- En comparación con el método de síntesis convencional (usando fosgeno) y los métodos de sustitución de fosgeno, las materias primas son menos costosas, el trabajo involucrado es más fácil y se generan menos desechos. Esto podría reducir los costos, así como la carga sobre el medio ambiente.
- La reacción es promovida por la luz visible y, en teoría, es posible realizar esta reacción de síntesis utilizando la luz solar.
- Estos resultados de investigación acelerarán el desarrollo de polipéptidos funcionales bioderivados por parte de la industria/academia.
- Se espera que estos métodos se conviertan en técnicas establecidas que contribuyan en gran medida a los ODS y a los esfuerzos para convertirse en carbono neutral.
Antecedentes de la investigación
Fosgeno (COCl2) se utiliza como precursor de polímeros y como producto intermedio farmacéutico. El mercado mundial de fosgeno continúa creciendo varios por ciento cada año, con alrededor de 8 a 9 millones de toneladas producidas anualmente. Sin embargo, el fosgeno es extremadamente tóxico. Por razones de seguridad, se están realizando investigaciones y desarrollos para encontrar alternativas. En un primer descubrimiento mundial, el grupo de investigación del profesor asociado Tsuda irradió cloroformo con luz ultravioleta, lo que hizo que reaccionara con el oxígeno y generara altos rendimientos de fosgeno (patente n.º 5900920). Para hacer esto de una manera aún más segura y fácil, el grupo de investigación encontró una forma en que las reacciones de generación de fosgeno podrían realizarse instantáneamente. Primero disolvieron los reactivos y los catalizadores en cloroformo y generaron fosgeno irradiando la solución con luz (patente n.º 6057449). De esta forma, la síntesis orgánica basada en fosgeno se puede llevar a cabo como si no se utilizara fosgeno.
El grupo de investigación ha llamado a su descubrimiento ‘método de síntesis orgánica de foto bajo demanda’ y lo ha utilizado con éxito para sintetizar numerosos polímeros y productos químicos orgánicos útiles (lista de patentes (en japonés): Patentes de Tsuda Laboratory). Por ejemplo, sintetizaron con éxito grandes cantidades de cloroformiato y carbonato de una manera segura, económica y sencilla simplemente irradiando una solución mixta de cloroformo y alcohol (con una base añadida según fuera necesario) con luz.
Estas reacciones altamente originales desarrolladas en la Universidad de Kobe se han mejorado mediante la cooperación con empresas químicas nacionales, y el objetivo final de esta investigación es la implementación práctica. Con la adición de fondos de JST A-STEP, se están realizando más investigaciones aplicadas, así como el desarrollo de poliuretano funcional utilizando este método de síntesis.
El método de síntesis orgánica foto-bajo-demanda es altamente seguro y económico, además de tener un bajo impacto en el medio ambiente. En consecuencia, ha atraído la atención tanto de la industria como de la academia como un método de síntesis química sostenible (Highlights of Tsuda Laboratory (en japonés)).
Metodología de investigación
En esta investigación, el α-aminoácido norte-Los carboxianhídridos (NCA) se sintetizaron con éxito a partir de las materias primas cloroformo y α-aminoácido utilizando el método de foto a pedido. NCA es un precursor de polipéptido. Aunque el α-aminoácido se disuelve fácilmente en agua, no lo hace en cloroformo. Esto significaba que el grupo de investigación no había podido sintetizar NCA utilizando el método anterior de foto a pedido. Sin embargo, descubrieron que al agregar acetonitrilo (CH3CN), que se puede mezclar con agua y cloroformo como solvente, se podría producir un alto rendimiento (alrededor del 91%) de NCA. No se esperaba que la reacción transcurriera normalmente porque el acetonitrilo absorbe la luz, lo que dificulta la fotooxidación del cloroformo.
Sorprendentemente, los investigadores descubrieron que la reacción se produjo a pesar de este obstáculo, lo que condujo a los resultados exitosos de este estudio. Además de la materia prima (aminoácido) degradada por la luz, esta fotorreacción también se puede utilizar para producir NCA que normalmente se sintetizan mediante el método del fosgeno. Hasta el momento, el grupo de investigación ha sintetizado con éxito 11 tipos de NCA utilizando esta fotorreacción.
Un desglose detallado del método de síntesis es el siguiente. En primer lugar, el α-aminoácido se suspende en una solución mixta de cloroformo y acetonitrilo. A continuación, se fotoirradia durante dos o tres horas a 70°C. Después de que se apaga la lámpara, se genera NCA calentando y agitando la solución durante aproximadamente una hora. Este producto se puede extraer y refinar para obtener NCA de alta pureza. La fotooxidación del cloroformo es promovida por una reacción en cadena de radicales que es iniciada por la luz que escinde los enlaces C-Cl. Por lo tanto, la síntesis se puede lograr en una escala de hasta 10 gramos simplemente aumentando el tamaño del recipiente de reacción y manteniendo la misma fuente de luz. Se espera que al ampliar aún más este método, se pueda utilizar en una amplia gama de campos que van desde la academia hasta las industrias químicas.
Nuevos desarrollos
El nuevo método de síntesis Photo-on-Demand NCA desarrollado a través de esta investigación permite sintetizar grandes cantidades de NCA (que son precursores de polipéptidos) de una manera segura, económica y fácil. Esta fácil obtención de NCA estimulará la investigación y el desarrollo de polipéptidos artificiales, que con suerte conducirán a la creación de nuevos materiales, como fibras polipeptídicas funcionales novedosas que superarán a las fibras naturales producidas por animales. Además, se espera que la síntesis de estas nuevas fibras polipeptídicas utilizando aminoácidos derivados de plantas como iniciador permita el desarrollo de biomateriales de próxima generación que satisfagan las necesidades de los tiempos. El objetivo del grupo Tsuda es que el Método de Síntesis NCA de foto a la carta se implemente industrialmente. Con este fin, están ofreciendo licencias de patentes y orientación sobre cómo utilizar estas técnicas a las empresas interesadas, además de continuar con sus esfuerzos de investigación y desarrollo. Esperan desarrollar esta investigación aún más mediante la colaboración con las industrias.
