Kemisk katalysator forvandler affald til skat, gør inerte CH-bindinger reaktive

I årtier, kemikere har stræbt efter at lave omhyggeligt kontrolleret kemi på kulstof-hydrogen-bindinger. Udfordringen er svimlende. Det kræver kraften fra en miniature-vragkugle at bryde disse ekstremt stærke bånd, kombineret med finessen ved en mikroskopisk pincet til at udskille specifikke CH-bindinger blandt de mange, der er overfyldt på et molekyle.

Journalen Natur udgivet en metode, der kombinerer begge disse faktorer for at gøre en inert C-H-binding reaktiv - effektivt forvandler kemisk "affald" til "skat."

"Vi kan ændre et billigt og rigeligt kulbrinte med begrænset anvendelighed til et værdifuldt stillads til udvikling af nye forbindelser - såsom lægemidler og andre finkemikalier, " siger J.T. Fu, en kandidatstuderende ved Emory University og første forfatter til papiret.

Det Natur papir er det seneste i en serie fra Emory University, der demonstrerer evnen til at bruge en dirhodium-katalysator til selektivt at funktionalisere CH-bindinger på en strømlinet måde, samtidig med, at man bevarer praktisk talt fuld kontrol over den tredimensionelle form af de producerede molekyler.

"Denne seneste katalysator er så selektiv, at den går rent for kun én CH-binding - selvom der er flere CH-bindinger, der ligner den meget i molekylet, " siger Huw Davies, Emory professor i organisk kemi og seniorforfatter af papiret. "Det var en kæmpe overraskelse, selv til os."

Denne dirhodiumkatalysator virker på et substrat af tert-butylcyclohexan, et kulbrinte - et af de enkleste organiske molekyler, udelukkende bestående af CH-bindinger.

"Ikke kun kan vi lave en fuldstændig hidtil uset reaktion, vi kan gøre det under ekstremt enkle forhold, " siger Davies. "Tert-butylcyclohexan er en klassisk organisk struktur i kemi. Det hjælper med at validere mainstream-potentialet ved CH-funktionalisering."

Davies er også den stiftende direktør for National Science Foundation's Center for Selective C-H Functionalization, et konsortium baseret på Emory og omfatter 15 store forskningsuniversiteter fra hele landet samt industrielle partnere.

Medforfatterne til Natur papir er Djamaladdin Musaev, direktør for Emory's Cherry L. Emerson Center for Scientific Computation; Zhi Ren, en post-doc-stipendiat i Davies-laboratoriet; og John Bacsa, faciliteter direktør for Emory's Crystallography Lab.

Organisk syntese fokuserer traditionelt på at modificere reaktive, eller funktionel, grupper i et molekyle. CH-funktionalisering bryder denne regel for, hvordan man fremstiller forbindelser:Den omgår de reaktive grupper og laver syntese ved, hvad der normalt ville blive betragtet som inerte carbon-hydrogen-bindinger, rigeligt med organiske forbindelser.

Målet er effektivt at transformere simple, rigelige molekyler - i nogle tilfælde endda kemiske affaldsmaterialer - til meget mere komplekse, værdiskabende molekyler. Funktionaliserende C-H-bindinger åbner nye kemiske veje til syntese af fine kemikalier - veje, der er mere strømlinede, billigere og renere.

Organisk syntese, for eksempel, involverer typisk brugen af ​​mange reagenser, og kan producere giftige, uorganiske biprodukter.

I modsætning, hver dirhodium-katalysator udviklet af Davies-laboratoriet bruger kun et enkelt reagens og fremskynder en reaktion uden at blive brugt op i reaktionen. Det meste af katalysatoren kan genbruges, og det eneste biprodukt, der dannes, er nitrogen, hvilket er ufarligt.

Kemikere, der eksperimenterer med CH-funktionalisering, bruger ofte en styregruppe - en kemisk enhed, der kombineres til en katalysator og derefter dirigerer katalysatoren til en bestemt CH-binding. Processen fungerer, men det er besværligt.

Davies-laboratoriet omgik behovet for en instruktørgruppe ved at udvikle katalysatorer indkapslet i tredimensionelle stilladser. Det skålformede stillads fungerer som en lås og en nøgle for kun at tillade bestemte CH-bindinger i en forbindelse at nærme sig katalysatoren og gennemgå reaktionen.

"Hver af katalysatorerne er uden fortilfælde, at opnå en anden form for selektivitet end tidligere set, " siger Davies. "Vi er ved at udvikle et værktøjssæt af nye katalysatorer og reagenser, der vil udføre selektiv C-H-funktionalisering på forskellige steder på forskellige molekyler."

Ud over at kontrollere webstedets selektivitet, stilladset af dirhodium-katalysatorerne styrer chiraliteten af ​​de molekyler, der produceres i reaktionen. Kiralitet, også kendt som "handedness, " henviser til en egenskab ved tredimensionel symmetri. Ligesom den menneskelige hånd er chiral, fordi højre hånd er et spejlbillede af venstre, molekyler kan være "højrehåndede" eller "venstrehåndede".

Et molekyles håndhævelse er vigtig i organisk kemi, da denne 3D-form påvirker, hvordan den interagerer med andre håndmolekyler. Når man udvikler et nyt lægemiddel, for eksempel, det er afgørende at kontrollere lægemiddelmolekylernes chiralitet, fordi biologiske molekyler genkender forskellen.

Den nuværende Natur papiret beskriver den femte store nye katalysator for CH-funktionalisering, som Davies-laboratoriet har udviklet i løbet af de sidste to år.

Som kandidatstuderende, Kuangbiao Liao (som siden har modtaget sin Ph.D. fra Emory og nu arbejder for medicinalfirmaet AbbVie) var førsteforfatter på to artikler, der udkom i Natur og en anden udgivet af Naturkemi for katalysatorer udviklet i 2016 og 2017. Kandidatstuderende Wenbin Liu ledede arbejdet med en fjerde katalysator udviklet tidligere i år, udgivet af Journal of the American Chemical Society .

"Vi har opnået en udsøgt katalysatorkontrol, der er ud over, hvad folk troede ville være muligt selv for to eller tre år siden, " siger Davies. "Det er utroligt, hvad mine elever har været i stand til at opnå."

Davies-laboratoriet udforsker nu at tilføje elektroniske effekter til dets dirhodium-katalysatorer. "I stedet for bare at interagere med inerte former, vi ønsker, at vores katalysatorer skal have evnen til elektronisk at frastøde eller tiltrække forskellige molekyler, Davies forklarer. "Det kunne gøre vores metoder endnu mere sofistikerede og subtile, end hvad vi kan opnå nu, åbner op for yderligere nye kemiske veje."