Prometendo ‘blocos de construção’ para novos materiais funcionais – Strong The One

Na natureza, existem animais que produzem fibras que são fortes e elásticas. Por exemplo, o fio que as aranhas produzem para fazer teias. Essas fibras possuem estrutura polipeptídica e servem de inspiração para pesquisas no desenvolvimento de materiais funcionais. Alfa (α)-aminoácido N-Carboxianidretos (NCAs) são precursores de polipeptídeos artificiais. No entanto, este composto se decompõe facilmente, dificultando sua obtenção comercial. Portanto, é necessário sintetizar a quantidade certa de α-aminoácidos NCAs no local e no momento em que são necessários. Os NCAs são geralmente sintetizados a partir de aminoácidos derivados de plantas e fosgênio. No entanto, o fosgênio é extremamente tóxico e perigoso de usar, levando a uma crescente demanda por novos compostos químicos e reações que possam substituí-lo. Usando o método de fosgenação sob demanda que eles desenvolveram anteriormente, o grupo de pesquisa do Professor Associado TSUDA Akihiko na Escola de Pós-Graduação em Ciências da Universidade de Kobe conseguiu sintetizar NCA de maneira segura, barata e simples a partir de clorofórmio (um solvente orgânico comum) e aminoácidos ácido.

As patentes foram depositadas em relação a este estudo em novembro de 2018 e novembro de 2019. O artigo acadêmico foi publicado online em ACS Omega em 19 de outubro de 2022.

Pontos principais

• Síntese segura no local e sob demanda de precursores polipeptídicos (NCAs) usando luz.
• O grupo de pesquisa conseguiu sintetizar 11 tipos de NCA a partir de clorofórmio (um solvente orgânico comum) e aminoácidos comerciais.
• Em laboratório, eles conseguiram sintetizar essas substâncias em uma escala de até dez gramas (e isso pode ser ampliado para produção em escala de quilogramas)
• Comparado ao método de síntese convencional (usando fosgênio) e métodos de substituição de fosgênio, as matérias-primas são menos caras, o trabalho envolvido é mais fácil e menos resíduos são gerados. Isso poderia reduzir os custos, bem como a carga sobre o meio ambiente.
• A reação é promovida pela luz visível, e teoricamente é possível realizar essa reação de síntese usando a luz solar
• Esses resultados de pesquisa irão acelerar o desenvolvimento da indústria/academia de polipeptídeos funcionais bioderivados.
• Espera-se que esses métodos se tornem técnicas estabelecidas que contribuam muito para os ODS e os esforços para se tornarem neutros em carbono.

Antecedentes da Pesquisa

Fosgênio (COCl₂) é usado como precursor de polímeros e como intermediário farmacêutico. O mercado global de fosgênio continua a crescer vários por cento a cada ano, com cerca de 8 a 9 milhões de toneladas produzidas anualmente. No entanto, o fosgênio é extremamente tóxico. Por razões de segurança, pesquisa e desenvolvimento estão sendo realizados para encontrar alternativas. Em uma descoberta mundial, o grupo de pesquisa do professor associado Tsuda irradiou clorofórmio com luz ultravioleta, o que fez com que ele reagisse com oxigênio e gerasse altos rendimentos de fosgênio (patente nº 5900920). Para fazer isso de maneira ainda mais segura e fácil, o grupo de pesquisa encontrou uma maneira de realizar as reações geradoras de fosgênio instantaneamente. Eles primeiro dissolveram os reagentes e catalisadores em clorofórmio e geraram fosgênio irradiando a solução com luz (patente nº 6057449). Desta forma, a síntese orgânica baseada em fosgênio pode ser realizada como se o fosgênio não fosse usado.

O grupo de pesquisa chamou sua descoberta de ‘método de síntese orgânica foto sob demanda’ e o usou com sucesso para sintetizar vários produtos químicos e polímeros orgânicos úteis (lista de patentes (em japonês): Patentes do Laboratório Tsuda). Por exemplo, eles sintetizaram com sucesso grandes quantidades de cloroformato e carbonato de maneira segura, barata e simples simplesmente irradiando uma solução mista de clorofórmio e álcool (com uma base adicionada conforme necessário) com luz.

Essas reações altamente originais desenvolvidas na Universidade de Kobe foram aprimoradas através da cooperação com empresas químicas nacionais, e o objetivo final desta pesquisa é a implementação prática. Com a adição de financiamento do JST A-STEP, mais pesquisas aplicadas estão sendo conduzidas, bem como o desenvolvimento de poliuretano funcional usando este método de síntese.

O método de síntese orgânica foto-on-demand é altamente seguro e econômico, além de ter baixo impacto no meio ambiente. Consequentemente, chamou a atenção da indústria e da academia como um método de síntese química sustentável (Destaques do Laboratório Tsuda (em japonês)).

Metodologia de Pesquisa

Nesta pesquisa, o α-aminoácido N-Carboxianidretos (NCAs) foram sintetizados com sucesso a partir das matérias-primas clorofórmio e α-aminoácido usando o método foto-on-demand. NCA é um precursor polipeptídico. Embora o α-aminoácido se dissolva facilmente em água, ele não se dissolve em clorofórmio. Isso significava que o grupo de pesquisa não conseguiu sintetizar NCA usando o método anterior de foto sob demanda. No entanto, eles descobriram que, adicionando acetonitrila (CH₃CN), que pode ser misturado com água e clorofórmio como solvente, um alto rendimento (cerca de 91%) de NCA pode ser produzido. Não era esperado que a reação ocorresse normalmente porque o acetonitrila absorve a luz, dificultando a fotooxidação do clorofórmio.

Surpreendentemente, os pesquisadores descobriram que a reação ocorreu apesar desse obstáculo, levando aos resultados bem-sucedidos deste estudo. Além da matéria-prima (aminoácido) degradada pela luz, essa fotorreação também pode ser usada para produzir NCAs que normalmente são sintetizados pelo método do fosgênio. Até agora, o grupo de pesquisa sintetizou com sucesso 11 tipos de NCA usando essa fotorreação.

Uma repartição detalhada do método de síntese é a seguinte. Primeiramente, o α-aminoácido é suspenso em uma solução mista de clorofórmio e acetonitrila. Este é então foto-irradiado por duas a três horas a 70°C. Depois que a lâmpada é desligada, o NCA é gerado aquecendo e agitando a solução por cerca de uma hora. Este produto pode ser extraído e refinado para obter NCA altamente puro. A foto-oxidação do clorofórmio é promovida por uma reação radicalar em cadeia que é iniciada pela clivagem leve das ligações C-Cl. Portanto, a síntese pode ser alcançada em uma escala de até 10 gramas simplesmente aumentando o tamanho do recipiente de reação e mantendo a fonte de luz a mesma. Espera-se que, ampliando ainda mais esse método, ele possa ser usado em uma ampla gama de campos, desde a academia até as indústrias químicas.

Desenvolvimentos Adicionais

O novo método de síntese de NCA Photo-on-Demand desenvolvido através desta pesquisa permite que grandes quantidades de NCAs (que são precursores de polipeptídeos) sejam sintetizadas de maneira segura, barata e fácil. Essa fácil obtenção de NCAs estimulará a pesquisa e o desenvolvimento de polipeptídeos artificiais, que esperamos levar à criação de novos materiais, como novas fibras polipeptídicas funcionais que superarão as fibras naturais produzidas por animais. Além disso, espera-se que a síntese dessas novas fibras polipeptídicas usando aminoácidos derivados de plantas como iniciador possibilite o desenvolvimento de biomateriais de próxima geração que atendam às necessidades dos tempos. O objetivo do grupo Tsuda é que o Método de Síntese NCA sob demanda seja implementado industrialmente. Para isso, estão oferecendo licenças de patentes e orientações sobre como utilizar essas técnicas para empresas interessadas, além de continuar seus esforços de pesquisa e desenvolvimento. Eles esperam desenvolver ainda mais essa pesquisa colaborando com as indústrias.