Organokatalysator, der kontrollerer radikale reaktioner til kompleks og omfangsrig sammensætningssyntese

Organokatalysatorer bestående af organiske forbindelser uden metalelementer får stor opmærksomhed som næste generations katalysatorer i håbet om at reducere miljøbelastningen og klare udmattelse/stigende priser på sjældne metaller. Imidlertid, det er vanskeligt for en organokatalysator at kontrollere radikale reaktioner, der involverer en enkelt elektron med høj reaktivitet. Dermed, reaktionsprocesser medieret af organokatalysatorer er ret begrænsede. Dette hindrer udviklingen og anvendelsen af ​​organisk syntese ved brug af organokatalysatorer.

N-heterocyklisk carben er kendt som en organokatalysator fri for metalelementer, og dens katalytiske reaktioner er blevet aktivt undersøgt. Undersøgelser af N-heterocyklisk carben som en organokatalysator startede med undersøgelsen af ​​en biologisk reaktion, der involverer coenzymet, thiamin (vitamin B1), et thiazoliumsalt. Enol-mellemproduktet af den biologiske reaktion er kendt for at fremme reaktioner af enkelt elektronoverførsel til elektronacceptorer såsom lipoamid, flavin adenindinukleotid (FAD) og Fe ₄ S ₄ , som spiller en vigtig rolle i oxidationsreaktioner. Forskere blev inspireret af dette biologiske fænomen og har syntetiseret N-heterocykliske carben-katalysatorer, der kunne kontrollere radikale reaktioner. Disse er blevet anvendt til organisk syntese. Imidlertid, på grund af begrænsninger i antallet af substrater, der kan bruges til en sådan katalytisk reaktion, kun et snævert udvalg af organiske forbindelser kunne syntetiseres. Dette har stærkt begrænsede anvendelser, for eksempel, i lægemiddelopdagelse.

Prof. Ohmiya og hans medarbejdere designede en N-heterocyklisk carbenkatalysator på en rationel og præcis måde med det formål at udvide rækken af ​​målkemiske stoffer til radikale reaktioner. Gruppen fandt for nylig en N-heterocyklisk carbenkatalysator af thiazolium-typen med en N-neopentylgruppe og anvendte denne carbenkatalysator til en radikal reaktion for at syntetisere en dialkylketon fra et alifatisk aldehyd og et alifatisk carboxylsyrederivat. Dette var tidligere en meget vanskelig syntese. Indtil nu, en radikal reaktion under anvendelse af konventionelle N-heterocykliske carbenkatalysatorer kunne kun anvendes på aromatiske aldehyder som katalytiske reaktionssubstrater. Den her nyudviklede N-heterocykliske carbenkatalysator er en alsidig katalysator, der kan anvendes til både aromatiske og alifatiske aldehyder, således betydeligt udvide anvendelsen af ​​radikale reaktioner af organokatalysatorer.

Nøglen til denne succes var deres konstatering af, at N-neopentylgruppen i thiazolium-typen N-heterocyklisk carben var effektiv i reaktionens fremskridt, mens deres undersøgelse blev udført med fuld brug af organisk kemi og måleteknikker. Omfanget af N-neopentylgruppen viste sig ikke kun at være effektiv til at fremme en koblingsreaktion af to forskellige radikalspecies genereret i reaktionssystemet, men også til at undertrykke uønskede sidereaktioner.

Den foreliggende katalytiske reaktion har følgende fordele ved organisk kemisk syntese; 1) voluminøse molekyler kan være reaktionssubstrater på grund af involvering af et meget reaktivt radikal, og 2) metoden er fremragende med hensyn til en bred vifte af funktionelle grupper og substrater, da den katalytiske reaktion kan udføres under milde betingelser uden behov for metalkatalysatorer eller redoxreagenser. Dermed, det er nu muligt at syntetisere mere end 35 voluminøse og komplekse dialkylketoner, hvilket tidligere var meget vanskeligt. Dette muliggør syntesen af ​​naturlige forbindelser og lægemidler med en dialkylketonrygrad fra et alifatisk aldehyd og et alifatisk carboxylsyrederivat.

I dette studie, forskergruppen har designet en ny organokatalysator, der kontrollerer radikale reaktioner, hvilket udvider anvendeligheden til forskellige underlag markant. Studiet forventes at fremskynde opdagelsen af ​​lægemidler, da det muliggør syntese af organiske forbindelser med høj merværdi, som tidligere var næsten umuligt at opnå. Fra et akademisk synspunkt, undersøgelsen har etableret designretningslinjer for organokatalysatorer, der kan kontrollere radikale reaktioner.