Kemikere HAT-trick til grønnere kemisk syntese

At skabe nye kemiske forbindelser, såsom nye lægemidler, er ikke så simpelt som at samle en af ​​de modeller med farvede bolde og pinde, du måske har set i en begyndende kemitime. Nej, det er ofte en kompleks proces med mange trin og mange kemiske deltagere, hvoraf nogle er giftige og miljøfarlige.

En teknik, der bruges i kemisk syntese, kaldes brintatomoverførsel eller HAT. Det er et potentielt kraftfuldt og alsidigt kemisk værktøj, men tekniske begrænsninger har begrænset brugen af ​​det. Nu har kemikere ved University of Utah, Scripps Research og deres kolleger lånt en teknik fra energilagringens kemi for at opnå HAT med færre kemikalier og færre omkostninger.

"HAT gemmer potentialet for utrolig nyttige transformationer," siger Samer Gnaim fra Scripps Research, førsteforfatter af en undersøgelse, der rapporterer forskernes resultater. "Ved introduktionen af ​​et fundamentalt nyt koncept kan disse kemiske udfordringer løses, hvilket etablerer HAT som et tilgængeligt værktøj til langt de fleste organiske kemikalier i både industrielle og akademiske omgivelser."

Undersøgelsen er publiceret i Nature .

"Dette er et klassisk eksempel på behovet for tværfaglige centre, der bringer organiske kemikere, elektrokemi og beregningsforskere sammen for at løse store problemer i organisk syntese," siger Minteer, anerkendt professor i kemi.

HATs løfter og udfordringer

HAT er en proces, der simpelthen flytter et brintatom fra et molekyle til et andet. Det er nyttigt til at gøre brug af umættede carbon-carbon-bindinger - den mest almindelige nyttige kemiske binding i organisk kemi - til at skabe en bred vifte af nye bindinger såsom carbon-carbon, carbon-oxygen og carbon-nitrogen-bindinger. Alle disse er vigtige trin i opbygningen af ​​komplekse molekyler. At lave nye bindinger fra en carbon-carbon dobbeltbinding kaldes "funktionalisering."

"Funktionaliseringen af ​​sådanne bindinger er en attraktiv strategi til at konstruere molekyler og opnå molekylær kompleksitet på en effektiv måde," siger Gnaim.

Men hvor nyttigt det end er, så har HAT sine ulemper. Den enkle proces med at flytte et brintatom kræver yderligere kemikalier som oxidanter og reduktionsmidler for at skabe en aktiv katalysator, en forbindelse, der hjælper reaktionen med at fortsætte. Oxidanterne og reduktionsmidlerne er nødvendige i store mængder, hvilket gør det upraktisk at anvende HAT i stor skala og næsten umuligt at anvende til industrielle kemiske processer.

Indsigt fra energilagring

Mens kemikere har kæmpet med, hvordan man kan forbedre HAT, har forskere i energilagring samtidig udviklet en proces, der kan hjælpe. Lagring af energi i form af brint involverer at omdanne positivt ladede protoner til brintmolekyler ved hjælp af en kobolthydridkatalysator. Det er den samme slags katalysator, der er nødvendig for HAT-processen.

Men energilagringsområdet har været i stand til at bygge kobolthydridkatalysatorer ved hjælp af protoner og elektroner som stand-ins for oxidanter og reduktanter - en helt anden kemisk proces for at opnå det samme slutprodukt.

Så Gnaim og hans kolleger sammenlignede, hvordan den elektrokemiske proces kan sammenlignes med konventionel HAT-kemi ved at evaluere dens ydeevne i en lang række organisk-kemiske reaktioner. Resultaterne var meget opmuntrende. At bruge elektrokemi til at skabe kobolthydridkatalysatorer var mere bæredygtigt og effektivt, fandt de, og gjorde endda processen mere præcis og afstembar.

Hvad kan vi gøre nu

Den elektrokemiske proces gav andre fordele. Det kunne udføres i små eller store partier uden de komplicerede trin med at fjerne al luft eller vand fra processen og efterlade behovet for dyre oxidanter og reduktionsmidler.

"Kemister søger konstant at udvide den kemiske reaktivitet til nye rum, hvilket tillader opdagelsen af ​​nye transformationer, der kan forbedre opdagelsesprocesserne for nye lægemidler," siger Gnaim. "I vores tilfælde kan vi få adgang til nye molekylære motiver ved at bruge miljøvenlige og billige stoffer, der er afhængige af brugen af ​​klassiske HAT-reaktioner og nye transformationer." + Udforsk yderligere

Ny tilgang inden for organisk kemi gør det muligt at tilføje bor til molekyler med høj præcision