Des « blocs de construction » prometteurs pour de nouveaux matériaux fonctionnels


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  • Les animaux tels que les araignées fabriquent des fibres solides et élastiques. Ces fibres ont une structure polypeptidique et servent d’inspiration pour la recherche sur le développement de matériaux fonctionnels. Les N-carboxyanhydrides d’acides alpha-aminés (NCA) sont des précurseurs de polypeptides artificiels, mais ils sont difficiles à produire. En utilisant la méthode de photo à la demande qu’ils ont précédemment développée, un groupe de recherche a synthétisé le NCA de manière sûre, peu coûteuse et simple à partir de chloroforme et d’acide aminé.

    Dans la nature, certains animaux fabriquent des fibres solides et élastiques. Par exemple, le fil que les araignées produisent pour fabriquer des toiles. Ces fibres ont une structure polypeptidique et servent d’inspiration pour la recherche sur le développement de matériaux fonctionnels. Acide alpha (α)-aminé N-Les carboxyanhydrides (NCA) sont des précurseurs de polypeptides artificiels. Cependant, ce composé se décompose facilement, ce qui le rend difficile à obtenir commercialement. Par conséquent, il est nécessaire de synthétiser la bonne quantité de NCA d’acides aminés α à l’endroit et au moment où ils sont nécessaires. Les NCA sont généralement synthétisés à partir d’acides aminés d’origine végétale et de phosgène. Cependant, le phosgène est extrêmement toxique et dangereux à utiliser, ce qui entraîne une demande croissante de nouveaux composés chimiques et de réactions pouvant s’y substituer. En utilisant la méthode de phosgénation photo à la demande qu’ils ont précédemment développée, le groupe de recherche du professeur agrégé TSUDA Akihiko à la Graduate School of Science de l’Université de Kobe a réussi à synthétiser le NCA de manière sûre, peu coûteuse et simple à partir de chloroforme (un solvant organique courant) et d’acides aminés. acide.

    Des brevets ont été déposés dans le cadre de cette étude en novembre 2018 et novembre 2019. L’article académique a été publié en ligne dans ACS Oméga le 19 octobre 2022.

    Points principaux

    • Synthèse sûre sur site et à la demande de précurseurs polypeptidiques (NCA) à l’aide de la lumière.
    • Le groupe de recherche a réussi à synthétiser 11 types de NCA à partir de chloroforme (un solvant organique courant) et d’acides aminés commerciaux.
    • En laboratoire, ils ont réussi à synthétiser ces substances à une échelle allant jusqu’à dix grammes (et cela peut être mis à l’échelle pour une production à l’échelle du kilogramme)
    • Par rapport à la méthode de synthèse conventionnelle (utilisant du phosgène) et aux méthodes de substitution du phosgène, les matières premières sont moins chères, le travail impliqué est plus facile et moins de déchets sont générés. Cela pourrait réduire les coûts ainsi que la charge sur l’environnement.
    • La réaction est favorisée par la lumière visible, et il est théoriquement possible d’effectuer cette réaction de synthèse en utilisant la lumière du soleil
    • Ces résultats de recherche accéléreront le développement par l’industrie et le milieu universitaire de polypeptides fonctionnels d’origine biologique.
    • On espère que ces méthodes deviendront des techniques établies qui contribueront grandement aux ODD et aux efforts pour devenir neutres en carbone.

    Fond de recherche

    Phosgène (COCl2) est utilisé comme précurseur de polymères et comme intermédiaire pharmaceutique. Le marché mondial du phosgène continue de croître de plusieurs pour cent chaque année, avec environ 8 à 9 millions de tonnes produites annuellement. Cependant, le phosgène est extrêmement toxique. Pour des raisons de sécurité, des recherches et développements sont menés pour trouver des alternatives. Lors d’une première découverte mondiale, le groupe de recherche du professeur agrégé Tsuda a irradié du chloroforme avec de la lumière ultraviolette, ce qui l’a fait réagir avec l’oxygène et générer des rendements élevés de phosgène (brevet n° 5900920). Afin de le faire d’une manière encore plus sûre et plus simple, le groupe de recherche a trouvé un moyen d’effectuer instantanément les réactions génératrices de phosgène. Ils ont d’abord dissous les réactifs et les catalyseurs dans du chloroforme et ont généré du phosgène en irradiant la solution avec de la lumière (brevet n° 6057449). De cette manière, la synthèse organique à base de phosgène peut être réalisée comme si le phosgène n’était pas utilisé.

    Le groupe de recherche a nommé sa découverte «méthode de synthèse organique photo à la demande» et l’a utilisée avec succès pour synthétiser de nombreux produits chimiques et polymères organiques utiles (liste des brevets (en japonais): brevets du laboratoire Tsuda). Par exemple, ils ont réussi à synthétiser de grandes quantités de chloroformiate et de carbonate de manière sûre, peu coûteuse et simple simplement en irradiant une solution mixte de chloroforme et d’alcool (avec une base ajoutée au besoin) avec de la lumière.

    Ces réactions très originales développées à l’Université de Kobe ont été améliorées grâce à la coopération avec des entreprises chimiques nationales, et l’objectif final de cette recherche est la mise en œuvre pratique. Avec l’ajout d’un financement de JST A-STEP, d’autres recherches appliquées sont en cours, ainsi que le développement de polyuréthane fonctionnel utilisant cette méthode de synthèse.

    La méthode de synthèse organique photo à la demande est hautement sécuritaire et économique, en plus d’avoir un faible impact sur l’environnement. Par conséquent, il a attiré l’attention de l’industrie et du milieu universitaire en tant que méthode de synthèse chimique durable (Highlights of Tsuda Laboratory (en japonais)).

    Méthodologie de la recherche

    Dans cette recherche, l’acide α-aminé N-Les carboxyanhydrides (NCA) ont été synthétisés avec succès à partir des matières premières chloroforme et acide α-aminé en utilisant la méthode photo à la demande. Le NCA est un précurseur polypeptidique. Bien que l’acide α-aminé se dissolve facilement dans l’eau, ce n’est pas le cas dans le chloroforme. Cela signifiait que le groupe de recherche n’avait pas été en mesure de synthétiser le NCA en utilisant la méthode précédente de photo à la demande. Cependant, ils ont découvert qu’en ajoutant de l’acétonitrile (CH3CN), qui peut être mélangé avec de l’eau et du chloroforme comme solvant, un rendement élevé (environ 91%) de NCA pourrait être produit. On ne s’attendait pas à ce que la réaction se déroule normalement car l’acétonitrile absorbe la lumière, empêchant la photo-oxydation du chloroforme.

    Étonnamment, les chercheurs ont découvert que la réaction s’est produite malgré cet obstacle, ce qui a conduit aux résultats positifs de cette étude. Outre la matière première (acide aminé) dégradée par la lumière, cette photoréaction peut également être utilisée pour produire des NCA qui sont normalement synthétisés par la méthode du phosgène. Jusqu’à présent, le groupe de recherche a réussi à synthétiser 11 types de NCA en utilisant cette photoréaction.

    Une ventilation détaillée de la méthode de synthèse est la suivante. Tout d’abord, l’acide α-aminé est mis en suspension dans une solution mixte de chloroforme et d’acétonitrile. Celui-ci est ensuite photo-irradié pendant deux à trois heures à 70°C. Une fois la lampe éteinte, du NCA est généré en chauffant et en agitant la solution pendant environ une heure. Ce produit peut être extrait et raffiné pour obtenir du NCA très pur. La photo-oxydation du chloroforme est favorisée par une réaction radicalaire en chaîne initiée par la lumière clivant les liaisons C-Cl. Par conséquent, la synthèse peut être réalisée à une échelle allant jusqu’à 10 grammes simplement en augmentant la taille du récipient de réaction et en gardant la même source de lumière. On espère qu’en développant davantage cette méthode, elle pourra être utilisée dans un large éventail de domaines allant du milieu universitaire aux industries chimiques.

    Développements ultérieurs

    La nouvelle méthode de synthèse de NCA Photo-on-Demand développée grâce à cette recherche permet de synthétiser de grandes quantités de NCA (qui sont des précurseurs de polypeptides) de manière sûre, peu coûteuse et facile. Cette obtention facile de NCA stimulera la recherche et le développement de polypeptides artificiels, ce qui, espérons-le, conduira à la création de nouveaux matériaux, tels que de nouvelles fibres polypeptidiques fonctionnelles qui surpasseront les fibres naturelles produites par les animaux. De plus, on s’attend à ce que la synthèse de ces nouvelles fibres polypeptidiques à l’aide d’acides aminés d’origine végétale en tant que starter permette le développement de biomatériaux de nouvelle génération qui répondent aux besoins de l’époque. L’objectif du groupe Tsuda est la mise en œuvre industrielle de la méthode de synthèse NCA photo à la demande. À cette fin, ils offrent des licences de brevets et des conseils sur la façon d’utiliser ces techniques aux entreprises intéressées, en plus de poursuivre leurs efforts de recherche et développement. Ils espèrent développer encore plus ces recherches en collaborant avec les industriels.

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