Молекула-рука поможет сортировать зеркальные изомеры

Химики из Института элементоорганических соединений имени А. Н. Несмеянова предложили новый метод получения «зеркальных» катализаторов, которые используются для создания ценных органических соединений — например, противогрибковых препаратов. Это поможет решить проблему тестирования лекарств, у которых есть вторая форма — зеркально симметричный «близнец», способный вызывать опасные побочные эффекты. Статья об исследовании, поддержанном грантом Российского научного фонда, опубликована в журнале Angewandte Chemie, кратко о результатах рассказала пресс-служба фонда.

Молекулы целого ряда веществ делятся на два типа, представляющие собой зеркальные отражения друг друга. Такие молекулы можно сравнить с левой и правой ладонями человека, строение которых совпадает, но пространственная ориентация различается, и совместить их в пространстве невозможно. В химии подобное свойство молекул называется хиральностью (от греческого слова χείρ — «рука»), а молекулы, представляющие собой отражение друг друга, — энантиомерами. Подробнее о них можно прочитать в очерке «Молекула перед зеркалом».

Энантиомеры одинаково реагируют с веществами, не имеющими зеркальных изомеров. Но если другое вещество тоже обладает хиральными свойствами или же это качество присуще катализатору, при котором идет реакция, то результаты реакции энантиомеров будут различны. Обычно это происходит в биохимических процессах. Эту разницу необходимо учитывать при проверке безопасности лекарств, ведь один из энантиомеров может оказаться опасным для человека. Именно такая история произошла с талидомидом — препаратом, который прописывали беременным от бессонницы и утренней тошноты. В начале 60-х оказалось, что талидомид вызывает частое появление врожденных уродств у детей, если мать принимает его во время беременности. Препарат прекратили применять, но его жертвами успели стать до 12 тысяч детей, из которых около семи тысяч умерли в раннем возрасте, а остальные остались инвалидами. В 80-е годы исследование показало, что талидомид представляет собой смесь двух энантиомеров, о чем раньше никто не догадывался. Причем только один из этих энантиомеров оказывает губительное действие на эмбрион.

Получение энантиомеров — серьезная проблема для фармацевтических компаний. Их часто синтезируют из природных соединений, однако в этом случае обычно есть только одна из зеркальных копий молекулы — либо «правая», либо «левая». Из-за ограниченного доступа к обеим копиям веществ многие специалисты и вовсе отказались от разработки препаратов, для которых возможно потенциальное существование энантиомеров. Решить эту проблему можно с помощью «зеркальных» катализаторов, которые позволяют синтезировать оба энантиомера лекарственных молекул. Такие катализаторы стали популярны благодаря японским исследователям в конце XX века и в настоящее время широко используются в лабораториях по всему миру.

Рисунок, показывающий избирательное связывание молекулы-руки с одной из форм катализатора. Источник: Дмитрий Перекалин

Авторы исследования предложили новый необычный способ получения «зеркальных» катализаторов. В его основе лежит разделение доступной смеси родиевых катализаторов на «правые» и «левые» молекулы. Из природной «левой» аминокислоты ученые синтезировали специальную молекулу-руку, которая схватывает только «правые» катализаторы и не трогает «левые». Такая избирательность обеспечивается отталкиванием между фрагментами молекул при попытке руки схватить «левый» катализатор. Ошибки сортировки случаются очень редко — не чаще чем в одном случае из двухсот. Полученные таким методом катализаторы доступнее и разнообразнее, чем их японские аналоги.

«Разработанный подход применим для сортировки совершенно разных соединений. При этом важно подчеркнуть, что оптимальную геометрию вспомогательной молекулы можно заранее подобрать с помощью быстрых расчетов даже на обычном домашнем компьютере. Это позволяет проводить исследование более рационально и избежать поиска методом проб и ошибок. Таким образом мы сможем создавать новые катализаторы для получения лекарственных препаратов и других ценных органических соединений», — рассказывает руководитель проекта по гранту РНФ Дмитрий Перекалин, заведующий лабораторией функциональных элементоорганических соединений ИНЭОС РАН.