Un team di ricercatori del Center for Catalytic Hydrocarbon Functionalizations, all'interno dell'Istituto per le Scienze di Base (IBS, Corea del Sud), hanno progettato una nuova strategia per sintetizzare molecole cicliche a forma di anello, molto ricercato dalle industrie farmaceutiche e chimiche, e conosciuti come gamma-lattamici. Questo studio descrive come questi anelli a cinque membri possono essere preparati da idrocarburi di materie prime poco costosi e facilmente disponibili, oltre che da complesse molecole organiche, come aminoacidi e steroidi. I gamma-lattamici trovano diverse applicazioni in medicina, sintetico, e chimica dei materiali. Per esempio, sono inclusi in un gran numero di composti farmaceuticamente attivi con antibiotici, antinfiammatorio, e funzioni antitumorali. Pubblicato in Scienza , questa ricerca è stata condotta presso il Korea Advanced Institute of Science and Technology (KAIST).

La conversione degli idrocarburi in composti contenenti azoto è un'importante area di ricerca, dove la sfida sta nel rompere forti legami carbonio-idrogeno (C?H), e convertendoli in legami carbonio-azoto (C-N) in modo controllato. Per questa ragione, gli idrocarburi sono difficili da usare come materie prime, nonostante il fatto che esistano in grandi quantità in natura.

Negli ultimi 35 anni, i chimici hanno trovato il modo di convertire semplici idrocarburi in anelli contenenti azoto, come indoli o pirrolidine, ma i gamma-lattamici si sono rivelati impossibili da preparare utilizzando gli stessi approcci. I ricercatori dell'IBS hanno ipotizzato che tale fallimento fosse dovuto a percorsi chimici alternativi che allontanano la reazione dagli anelli desiderati:l'intermedio di reazione (carbonilnitrene) si scompone rapidamente in prodotti non desiderati. Utilizzando modelli informatici delle vie di reazione desiderate e indesiderate, il team ha trovato una strategia per spegnere completamente quest'ultimo al fine di ottenere i tanto desiderati gamma-lattamici. Per la prima volta, questi quattro atomi di carbonio e una molecola ciclica di azoto sono stati ottenuti direttamente da semplici materie prime chimiche.

"Con questo lavoro offriamo una soluzione completamente nuova a una sfida di vecchia data e dimostriamo la potenza di quello che chiamiamo sviluppo di reazioni basate su meccanismi, " spiega il professor BAIK Mu-Hyun, un corrispondente autore dello studio.

Guidati dal professor CHANG Sukbok, I ricercatori di IBS hanno progettato la reazione vincente con l'aiuto di simulazioni al computer che analizzano i meccanismi di reazione e calcolano l'energia necessaria affinché la reazione abbia luogo. Secondo tali previsioni del computer, la reazione potrebbe seguire tre percorsi, portando alla formazione del gamma-lattamico desiderato, un prodotto indesiderato (isocianato), o la degradazione del catalizzatore causata dalla reazione del substrato con lo scheletro del catalizzatore. Combinando osservazioni sperimentali e simulazioni al computer dettagliate, il team ha progettato un catalizzatore a base di iridio, altamente selettivo per la formazione di gamma-lattamici. In questo modo, i due percorsi indesiderati sono stati sistematicamente chiusi, lasciando come unico esito possibile la formazione dell'anello contenente azoto.

Oltre a utilizzare idrocarburi a basso costo come substrati, il team è riuscito anche a convertire gli amminoacidi, steroidi, e altre molecole bio-rilevanti in gamma-lattamici, che potrebbe trovare una varietà di applicazioni come insetticida per piante, farmaci contro i vermi parassiti, o agenti antietà. Questa nuova tecnologia sintetica consente un accesso molto più semplice a queste molecole complicate e consentirà lo sviluppo di potenziali farmaci in un tempo molto più breve ea un costo inferiore.

"In questo lavoro pionieristico, ci siamo allontanati dalla strategia di amminazione esistente e abbiamo aperto la porta a un modo completamente nuovo di trasformare C-H in obbligazioni C-N. La nostra scoperta è un lavoro che cambia paradigma e offre una nuova base concettuale per molti interessanti sviluppi da seguire, " si entusiasma il professor CHANG.

I ricercatori di IBS sono ora desiderosi di sviluppare sistemi di catalizzatori meno costosi, e ampliando la gamma dei prodotti, per esempio producendo anelli con quattro o sei atomi (noti come beta-lattamici e delta-lattamici, rispettivamente). Finalmente, come spiegato dal primo autore dello studio, HONG Seung Youn, il team aspira a passare dalle reazioni di amminazione intramolecolare a quelle intermolecolari:"L'obiettivo finale sarebbe quello di ottenere la conversione diretta degli alcani non attivati, come gas naturali come il metano o il gas etano, in utili sostanze chimiche a valore aggiunto tramite amminazione intermolecolare di C-H."