Thalidomid, et stof, der engang blev brugt til at lindre morgensyge hos gravide kvinder, udviser forskellige egenskaber på grund af dets optiske isomerer i kroppen: den ene isomer har en beroligende virkning, mens de andre forårsager alvorlige bivirkninger, såsom fødselsdefekter. Som dette eksempel illustrerer, er præcise organiske synteseteknikker, der selektivt syntetiserer den ønskede optiske isomer, afgørende i ny lægemiddeludvikling.
Ved at overvinde de traditionelle metoder, der kæmpede med samtidig analyse af flere reaktanter, har et forskerteam udviklet verdens første teknologi til præcist at analysere 21 typer reaktanter samtidig. Dette gennembrud, der nu er offentliggjort i Journal of the American Chemical Societyforventes at yde et væsentligt bidrag til ny lægemiddeludvikling ved hjælp af AI og robotter.
Optiske isomerer omfatter et par molekyler med den samme kemiske formel, der er spejlbilleder af hinanden og kan ikke overlejres på grund af deres asymmetriske struktur. Dette er analogt med en venstre og højre hånd, der er ens i form, men ikke kan overføres perfekt.
Kaists professor Hyunwoo Kims forskerteam i Department of Chemistry har udviklet en innovativ optisk isomeranalyseteknologi, der er egnet til æraen med AI-drevet autonom syntese. Denne forskning er verdens første teknologi til nøjagtigt at analysere asymmetriske katalytiske reaktioner, der involverer flere reaktanter samtidig ved hjælp af fluor-nukleær magnetisk resonansspektroskopi (høj opløsning (19F nmr). Det forventes at yde bidrag til forskellige felter, herunder ny lægemiddeludvikling og katalysatoroptimering.
AI-drevet autonom syntese er en avanceret teknologi, der automatiserer og optimerer kemiske stofsynteseprocesser ved hjælp af kunstig intelligens (AI). Det får opmærksomhed som et kerneelement til at realisere automatiserede og intelligente forskningsmiljøer i fremtidige laboratorier. AI forudsiger og justerer eksperimentelle forhold, fortolker resultater og design efterfølgende eksperimenter uafhængigt, minimerer menneskelig indgriben i gentagne eksperimenter og øger forskningseffektiviteten og innovativiteten markant.
I øjeblikket, mens autonome syntesesystemer kan automatisere alt fra reaktionsdesign til udførelse, er reaktionsanalyse stadig afhængig af individuelt behandling ved hjælp af traditionelt udstyr. Dette fører til langsommere hastigheder og flaskehalse, hvilket gør det uegnet til gentagne eksperimenter med høj hastighed.
Endvidere fik multi-substrat samtidige screeningsteknikker, der blev foreslået i 1990’erne, opmærksomhed som en strategi for at maksimere reaktionsanalyseeffektiviteten. Begrænsninger af eksisterende kromatografibaserede analysemetoder begrænsede imidlertid antallet af relevante underlag. I asymmetriske syntese -reaktioner, som selektivt syntetiserer den ønskede optiske isomer, var det næsten umuligt at analysere mere end 10 typer substrater, samtidig med at analysere mere end 10 typer underlag.
For at overvinde disse begrænsninger udviklede forskerteamet en 19F NMR-baseret multi-substrat samtidig screeningsteknologi. Denne metode involverer udførelse af asymmetriske katalytiske reaktioner med flere reaktanter i et enkelt reaktionsbeholder, der introducerer en fluorfunktionel gruppe i produkterne og derefter anvender deres selvudviklede chirale koboltreagens for klart at kvantificere alle optiske isomerer, der bruger 19F nmr.
Ved hjælp af den fremragende opløsning og følsomhed af 19F NMR udførte forskerteamet med succes asymmetriske synteseaktioner af 21 underlag samtidig i et enkelt reaktionsbeholder og målte kvantitativt produktudbyttet og optisk isomerforhold uden nogen separate rensningstrin.
Professor Hyunwoo Kim sagde, “Mens enhver kan udføre asymmetriske synteseaktioner med flere substrater i en reaktor, har det at analysere alle produkter, der nøjagtigt har været et udfordrende problem at løse indtil nu. Vi forventer, at opnåelse af multi-substrat-screeningsanalyseteknologi i verdensklasse i høj grad vil bidrage til at forbedre de analytiske kapaciteter i AI-drevet autonome syntese-platforme.
“Denne forskning giver en teknologi, der hurtigt kan verificere effektiviteten og selektiviteten af asymmetriske katalytiske reaktioner, der er essentielle for ny lægemiddeludvikling, og den forventes at blive anvendt som et kerneanalytisk værktøj til AI-drevet autonom forskning.”