Forskere udvikler en bæredygtig katalyseproces

Acetaler er vigtige kemiske forbindelser, der bruges, for eksempel, i produktionen af ​​visse medicinske midler. En ny metode gør nu deres syntese lettere og mere miljøvenlig. Kemikere ved universitetet i Bonn har udviklet og optimeret den bæredygtige katalytiske proces. Der blev også brugt state-of-the-art computersimuleringer. Reaktionen er baseret på en mekanisme, der ofte forekommer i naturen, men har sjældent været brugt i kemisk syntese indtil nu. Resultaterne offentliggøres i tidsskriftet Angewandte Chemie .

Nøgletrinet i produktionen af ​​acetaler er bindingen af ​​to oxygenatomer til et kulstofatom. Kemikere opnår ofte dette arrangement med oxidation. Normalt bruges stærke oxidationsmidler til at opnå dette ved at frigive et oxygenatom under reaktionen. Resten af ​​oxidationsmidlet skal bortskaffes efter syntesen.

"I vores undersøgelse, imidlertid, vi beskriver en vej, der omtales som atom-økonomisk, hvilket betyder, at det ikke genererer affald, " forklarer prof. Dr. Andreas Gansäuer fra Kekulé Institut for Organisk Kemi og Biokemi ved Universitetet i Bonn. "Udgangsmolekylet i sig selv indeholder allerede det oxygenatom, der kræves til oxidation. Den katalyse, vi har udviklet, flytter simpelthen denne ilt i molekylet, som skaber acetalen."

Udgangsmolekylet indeholder en såkaldt epoxygruppe, en slags "trekant", hvor to hjørner er dannet af kulstofatomer og det tredje af et oxygenatom. Sådanne tredobbelte ringe er under stor spænding og går derfor let fra hinanden ved oxygenatomet. Epoxy lagrer den nødvendige reaktionsenergi som en komprimeret fjeder.

Katalyse baseret på naturens model

For at nå dette mål kræves en passende katalysator. I overført betydning, iltatomer har to "arme", som de kan danne bindinger med. Hvis epoxyringen går i stykker, en af ​​disse arme bliver fri. Katalysatoren binder nu midlertidigt til den. Dette initierer en sekvens af molekyle-interne (intramolekylære) omlejringer. I slutningen af ​​denne sekvens, oxygenatomet frigiver katalysatoren igen og binder sig i stedet til det ønskede kulstof. "Dette trin kaldes oxygen rebound, " siger Gansäuer.

Denne mekanisme har hidtil sjældent været brugt i kemiske synteser - ganske ulig i naturen:Leveren, for eksempel, bruger "iltrebound" til at nedbryde toksiner. Dette kræver også katalysatorer, de såkaldte P450-enzymer. Deres aktive center indeholder et jernatom. "Hjertet i vores katalysator består også af et almindeligt og ikke-giftigt metal, nemlig titanium, " forklarer prof. dr. Stefan Grimme fra Institut for Fysisk og Teoretisk Kemi ved Universitetet i Bonn.

Katalysator tuning på computeren

Under acetalsyntese, titan absorberer først et oxygenatom og frigiver det derefter igen (oxidation efterfølges af en såkaldt reduktion). Dette virker kun effektivt, hvis det binder ilten stærkt nok til sig selv uden at "klæbe" sig for meget. For at justere dets iltaffinitet passende, titanium er bundet til visse molekyler, dens ligander. Afhængig af den forpligtende partner, metallet har da en noget stærkere oxiderende virkning eller kan nemmere reduceres. De bedst egnede "tuning-molekyler" udvælges i dag ved hjælp af en computer. Forskergruppen omkring prof. Grimme har specialiseret sig i denne opgave:I de senere år det har udviklet algoritmer, der tillader meget hurtige simuleringer af katalysatoregenskaber.

Dette gjorde det muligt for forskerne i deres undersøgelse at optimere deres katalysator, så den fuldstændigt omdanner udgangsmaterialet til den ønskede acetal. "Resultatet dokumenterer meget pænt, hvor nyttigt tæt samarbejde mellem eksperiment og teori er til udvikling af bæredygtige katalysemetoder, " siger Gansäuer.