據外媒報導，近幾十年來，有機和藥物化學的主要目標是快速合成三維分子以開發新藥。這些候選藥物表現出跟主要扁平分子結構相比的各種性能改善，這在臨床試驗中反映為更高的有效性和成功率。然而，它們只能以巨大的成本生產或根本不使用以前的方法。

現在，由Frank Glorius教授（明斯特大學）領導的化學家門和他的同行們M. Kevin Brown教授（印地安那大學伯明頓分校）和Kendall N. Houk教授（美國加州大學洛杉磯分校）已經成功地將幾類扁平的含氮分子轉化為所需的三維結構。通過100多個新穎的例子，他們證明了這個過程的廣泛適用性。相關研究報告現已發表在《科學》上。

光介導的能量傳遞克服了能量障礙

合成三維結構最有效的方法之一是將一個分子加到另一個分子上，這個方法被稱為環加成。在這個過程中，分子之間形成兩個新鍵和一個新環。對於芳香族體系，這種反應在以前的方法中是不可行的。抑制這種環加成的能量勢壘即使應用了熱量也無法克服。因此，這項新研究探索了通過光介導的能量轉移來克服這一障礙的可能性。

Frank Glorius表示：“自然界中也存在利用光能來建造更複雜的化學結構的主題。就像植物在光合作用中利用光從二氧化碳和水的簡單構造塊中合成糖分子一樣，我們利用光介導的能量轉移從平面基本結構中產生復雜的三維目標分子。”

用於製藥的候選新藥？

科學家們指出了這種方法的“巨大可能性”。他們現在可以通過光介導的能量轉移跟廣泛的結構多樣的烯烴結合進而獲得新的三維候選藥物或它們的主幹。

這些化學家還展示了各種創新轉化以進一步處理這些合成主幹，另外利用他們的專業知識為藥物應用鋪平道路。該方法的實用性和所需起始材料的可獲得性對該技術的未來應用至關重要：所使用的分子在商業上可以以低成本獲得或易於生產。

JiaJia Ma說道：“我們希望這一發現將為新型醫藥製劑的發展提供新動力並將以跨學科的方式應用和進一步研究。”Kevin Brown則補充稱：“我們的科學突破還可以在發現作物保護劑等方面取得重大意義。”

實驗化學和計算化學的協同作用

這項研究的另一個特色則是科學家闡明反應機理和分子的具體結構不僅首次詳細分析和實驗，另外還通過“計算化學”：Kendall Houk和Shuming Chen展開的詳細計算機輔助建模反應。據悉，他們能夠展示這些反應是如何起作用以及為什麼它們會選擇性地發生。

“這項研究是實驗和計算理論化學協同作用的一個典型例子，”來自俄亥俄州奧柏林學院的Shuming Chen教授強調道。“我們對反應概念的詳細機理解釋將使科學家能夠開發互補的方法並在未來使用我們所學到的設計更有效的合成路線，”Kendall Houk補充道。

出版背後的故事

JiaJia Ma/Frank Glorius（明斯特大學）和Renyu Guo/Kevin Brown（印第安納大學）分別利用光介導的能量傳遞方法取得了成功。通過跟加州大學洛杉磯分校的Kendall Houk和Shuming Chen的合作，這兩個研究小組了解了這一相互發現。這三個小組決定進一步共同發展他們的發現以便盡快跟科學界分享他們的突破並向藥物化學家提供開發新藥物的技術。