Vellykket syntese af gamma-lactamringe fra kulbrinter

Et team af forskere ved Center for katalytiske carbonhydridfunktionaliseringer, inden for Institute for Basic Science (IBS, Sydkorea), har designet en ny strategi til at syntetisere ringformede cykliske molekyler, meget efterspurgt af farmaceutisk og kemisk industri, og kendt som gamma-laktamer. Denne undersøgelse beskriver, hvordan disse femleddede ringe kan fremstilles ud fra billige og let tilgængelige råmaterialekulbrinter, såvel som fra komplekse organiske molekyler, såsom aminosyrer og steroider. Gamma-laktamer finder flere anvendelser inden for medicin, syntetisk, og materialekemi. For eksempel, de er inkluderet i et stort antal farmaceutisk aktive forbindelser med antibiotika, antiinflammatorisk, og antitumorale funktioner. Udgivet i Videnskab , denne forskning blev udført på Korea Advanced Institute of Science and Technology (KAIST).

Omdannelse af kulbrinter til nitrogenholdige forbindelser er et vigtigt forskningsområde, hvor udfordringen ligger i at bryde stærke carbon-hydrogen (C? H) bindinger, og omdanne dem til carbon-nitrogen (C-N) bindinger på en kontrolleret måde. Af denne grund, kulbrinter er vanskelige at bruge som udgangsmaterialer, omend det faktum, at de findes i store mængder i naturen.

I løbet af de sidste 35 år har kemikere har fundet måder at omdanne simple kulbrinter til nitrogenholdige ringe, såsom indoler eller pyrrolidiner, men gamma-laktamer viste sig umuligt at forberede ved hjælp af de samme fremgangsmåder. IBS -forskere antog, at en sådan fiasko skyldtes alternative kemiske veje, der styrede reaktionen væk fra de ønskede ringe:Reaktionsmellemproduktet (carbonylnitren) bryder hurtigt ned i uønskede produkter. Brug af computermodeller af de ønskede og uønskede reaktionsveje, holdet fandt en strategi for helt at lukke sidstnævnte for at opnå de længe ventede gamma-laktamer. For første gang, disse fire carbonatomer og et nitricecykliske molekyler blev opnået direkte fra simple råmaterialekemikalier.

"Med dette arbejde tilbyder vi en helt ny løsning på en mangeårig udfordring og demonstrerer kraften i det, vi kalder mekanisme-baseret reaktionsudvikling, "forklarer professor BAIK Mu-Hyun, en tilsvarende forfatter til undersøgelsen.

Anført af professor CHANG Sukbok, IBS -forskere designet den vindende reaktion ved hjælp af computersimuleringer, der analyserer reaktionsmekanismerne og beregner den energi, der kræves for at reaktionen kan finde sted. Ifølge sådanne computerforudsigelser, reaktionen kunne følge tre veje, fører til dannelsen af ​​enten den ønskede gamma-lactam, et uønsket produkt (isocyanat), eller nedbrydning af katalysatoren forårsaget af, at substratet reagerer med katalysatorskelet. Kombination af eksperimentelle observationer og detaljerede computersimuleringer, teamet designede en iridium-baseret katalysator, meget selektiv for gamma-lactamdannelsen. På denne måde, de to uønskede veje blev systematisk lukket ned, efterlader dannelsen af ​​den nitrogenholdige ring som det eneste mulige resultat.

Ud over at bruge billige råstofkulbrinter som substrater, holdet havde også succes med at konvertere aminosyrer, steroider, og andre biorelevante molekyler til gamma-laktamer, som kan finde en række anvendelser som planteinsekticid, medicin mod parasitære orme, eller anti-aging midler. Denne nye syntetiske teknologi giver meget lettere adgang til disse komplicerede molekyler og vil muliggøre udvikling af potentielle lægemidler på meget kortere tid til en lavere pris.

"I dette banebrydende arbejde, vi flyttede væk fra den eksisterende amineringsstrategi og åbnede døren til en helt ny måde at omdanne C-H til C-N-obligationer. Vores opdagelse er et paradigmeskiftende stykke arbejde, og det giver et nyt konceptuelt fundament for mange spændende udviklinger at følge, "begejstrer professor CHANG.

IBS -forskere er nu ivrige efter at udvikle billigere katalysatorsystemer, og udvidelse af produktsortimentet, for eksempel ved at producere ringe med fire eller seks atomer (kendt som beta-lactam og delta-lactam, henholdsvis). Endelig, som forklaret af den første forfatter til undersøgelsen, HONG Seung Youn, teamet stræber efter at gå op fra intramolekylære amineringsreaktioner til intermolekylære:"Det endelige mål ville være at opnå den direkte konvertering af ikke -aktiverede alkaner, såsom naturgasser som metan eller etangas, i nyttige værditilvækstkemikalier via intermolekylær C-H-amination. "