Anvendelse af grønne kemiprincipper til jernkatalyse

På Leibniz Institut for Katalyse i Rostock har Dr. Johannes Fessler udviklet nye metoder til syntese af lægemiddelprækursorer ved hjælp af katalysatorer lavet af jern, mangan og kobolt. Hvert af disse tre kemiske grundstoffer har potentialet til at erstatte en række ædelmetaller, der almindeligvis anvendes i organisk kemi til at katalysere fine kemikalier.

Platin og palladium er for eksempel dyre på grund af deres sjældne forekomst, deres udvinding er dyr, og de frigiver store mængder af drivhusgassen CO₂ . Et af målene med "grøn" kemi er derfor at undvære sådanne ædelmetaller i organometallisk katalyse i fremtiden.

Johannes Fessler fik sine resultater som en del af sin afhandling, som han forsvarede i januar. Han har rapporteret om det i Chemical Science , sammen med sin ph.d.-vejleder Prof Dr. Matthias Beller og hans forskningsgruppeleder Dr. Kathrin Junge. For eksempel kan du læse, hvordan en kompleks aktiv ingredienskandidat baseret på pyrrol, en almindelig lægemiddelprecursor, skabes af "enkle udgangsmaterialer" ved hjælp af en syretålende homogen jernkatalysator og ved stuetemperatur.

"Homogen" katalyse betyder, at udgangsmaterialerne, katalysatoren, opløsningsmidlet og i sidste ende produktet og biproduktet opløses i en enkelt reaktionsbeholder. De skal derfor adskilles efter hvert reaktionstrin, renses og forberedes til næste trin, som Dr. Fessler forklarer.

"Hvis det lykkes dig at redde et af disse trin i den kemiske proces, reducerer du i høj grad mængden af ​​tid og materiale, der kræves og minimerer spild." Det er præcis, hvad han opnåede med reaktionen på pyrrol ved hjælp af en reaktionskaskade.

At erstatte ædelmetaller som katalysatorer med jern og lignende er blevet et attraktivt forskningsemne internationalt. LIKAT har opbygget en stærk ekspertise på dette område gennem de seneste år. Johannes Fessler vurderer, at en fjerdedel af hans unge kolleger på instituttet arbejder med ikke-ædelmetalkatalyse i deres doktorafhandlinger.

På den ene side hjælper dette arbejde med at spare ressourcer. Dr. Fessler siger:"Opgaven med klimaneutral, bæredygtig forvaltning står over for den kemiske industri såvel som alle andre sektorer." Jern er rigeligt og udgør 5% af jordskorpen. Og efter jern og titanium er mangan det mest almindelige overgangsmetal (dette navn kommer fra dets plads i det periodiske system) på Jorden.

På den anden side er der en grund til, at uædle metaller hidtil kun har spillet en marginal rolle i organisk kemi. "De er ofte mindre stabile i katalytiske processer end katalysatorer lavet af ædelmetaller," siger Dr. Fessler. "Desuden arbejder de normalt ved høje temperaturer og tryk i det område, jeg forsker i."

Men sådanne barske forhold ville ødelægge de komplekse molekyler i lægemiddelproduktion. De kemiske strukturer, der sikrer den specifikke virkning af et lægemiddel, de såkaldte funktionelle grupper i molekylet, er særligt udsatte.

Høj kemisk præcision ved implementering

I den henseende er det en stor succes at kunne vise, hvordan katalysatorer lavet af jern, mangan og kobolt nogle gange kan klare sig med væsentligt mildere reaktionsbetingelser sammenlignet med tidligere praksis.

I tilfælde af pyrrol er der tale om temperaturer mellem 20 og 30 grader celsius. Johannes Fesslers eksperimenter afslørede en anden fordel ved hans tilgang:Hans ikke-ædelmetalkatalysatorer omdannede meget præcist kun de molekyler, som kemikerne havde brug for i selve syntesen. "Vi kalder denne tilgang meget selektiv. Den producerer næsten ingen biprodukter eller affald."

Johannes Fessler testede den pålidelige funktion af hans reaktion på forskellige aktive ingredienser og lægemiddelprækursorer. "Vi ville sikre os, at jernkatalysatoren også aktiverer det rigtige sted i molekylet for disse stoffer og skåner de følsomme funktionelle grupper." På denne måde testede kemikeren sin metode på blandt andet udbredte kolesterolsænkende medicin og blodtryksmedicin.

Kemiudflugt:Kaskadereaktion

Endelig kræver den indledningsvis nævnte kaskadereaktion et nitrogenholdigt stof kaldet nitroaren som udgangsstof, der hydrogeneres i første trin ved hjælp af myresyre og en kommercielt tilgængelig jernkatalysator og derefter straks gennemgår en efterfølgende reaktion til dannelse af pyrrol. Pyrrol er et almindeligt fint kemikalie i den farmaceutiske sektor. Det er en af ​​de heterocykler, ringformede kulstofforbindelser, hvor et kulstofatom (C) er erstattet af et andet grundstof, f.eks. nitrogen (N).

Kaskadereaktionen omfatter to trin. I den første hydrogeneres nitroarenen til dannelse af en amin, også kendt som anilin, en benzenring med en aminogruppe (NH₂ ), som straks indgår i en efterfølgende reaktion. I denne efterfølgende reaktion, det andet trin, omsættes aminogruppen med en dicarbonylforbindelse med eliminering af vand. Det kondenserer således og danner pyrrol.

Kaskaden lykkes på grund af det sure miljø, som myresyre er ansvarlig for i en dobbelt funktion, som et reduktionsmiddel og som en syre. Dette kræver dog en katalysator, der fungerer godt under sure forhold. Dette er netop tilfældet med den jernbaserede katalysator, som Johannes Fessler bruger.

Flere oplysninger: Johannes Fessler et al., Anvendelse af grønne kemiprincipper til jernkatalyse:mild og selektiv dominosyntese af pyrroler fra nitroarener, Kemisk videnskab (2023). DOI:10.1039/D3SC02879H

Leveret af Leibniz Institute for Catalysis