Per decenni, i chimici hanno aspirato a fare chimica attentamente controllata sui legami carbonio-idrogeno. La sfida è impressionante. Richiede la potenza di una palla da demolizione in miniatura per rompere questi legami estremamente forti, combinato con la finezza di microscopiche pinzette per individuare specifici legami CH tra i tanti ammucchiati su una molecola.

Il giornale Natura ha pubblicato un metodo che combina entrambi questi fattori per rendere reattivo un legame C-H inerte, trasformando efficacemente la "spazzatura" chimica in "tesoro".

"Possiamo trasformare un idrocarburo economico e abbondante con un'utilità limitata in una preziosa impalcatura per lo sviluppo di nuovi composti, come prodotti farmaceutici e altri prodotti della chimica fine, " dice J.T. Fu, uno studente laureato alla Emory University e primo autore dell'articolo.

Il Natura la carta è l'ultima di una serie della Emory University che dimostra la capacità di utilizzare un catalizzatore al dirodio per funzionalizzare selettivamente i legami CH in modo semplificato, pur mantenendo il controllo pressoché totale della forma tridimensionale delle molecole prodotte.

"Questo ultimo catalizzatore è così selettivo che funziona in modo pulito per un solo legame C-H, anche se ci sono diversi legami C-H molto simili ad esso all'interno della molecola, "dice Huw Davies, Emory professore di chimica organica e autore senior del documento. "È stata una grande sorpresa, anche a noi".

Questo catalizzatore al dirodio lavora su un substrato di tert-butil cicloesano, un idrocarburo, una delle più semplici molecole organiche, costituito interamente da legami C-H.

"Non solo possiamo fare una reazione totalmente senza precedenti, possiamo farlo in condizioni estremamente semplici, " Davies dice. " Il tert-butil cicloesano è una struttura organica classica in chimica. Ciò aiuta a convalidare il potenziale mainstream della funzionalizzazione di C-H".

Davies è anche il direttore fondatore del Center for Selective CH Functionalization della National Science Foundation, un consorzio con sede a Emory e che comprende 15 importanti università di ricerca di tutto il paese, nonché partner industriali.

I coautori di Natura carta sono Djamaladdin Musaev, direttore del Cherry L. Emerson Center for Scientific Computation di Emory; Zhi Ren, un borsista post-dottorato nel laboratorio Davies; e Giovanni Bacsa, direttore delle strutture del laboratorio di cristallografia di Emory.

La sintesi organica si concentra tradizionalmente sulla modificazione reattiva, o funzionale, gruppi in una molecola. La funzionalizzazione C-H infrange questa regola su come creare composti:bypassa i gruppi reattivi e fa sintesi in quelli che normalmente sarebbero considerati legami carbonio-idrogeno inerti, abbondante in composti organici.

L'obiettivo è trasformare in modo efficiente semplici, molecole abbondanti, in alcuni casi anche materiali di scarto chimici, in molto più complesse, molecole a valore aggiunto. La funzionalizzazione dei legami CH apre nuove vie chimiche per la sintesi della chimica fine, vie più snelle, meno costoso e più pulito.

sintesi organica, Per esempio, tipicamente comporta l'uso di molti reagenti, e può produrre sostanze tossiche, sottoprodotti inorganici.

In contrasto, ogni catalizzatore al dirodio sviluppato dal laboratorio Davies utilizza un solo reagente e accelera una reazione senza essere utilizzato nella reazione. La maggior parte del catalizzatore può essere riciclata e l'unico sottoprodotto generato è l'azoto, che è innocuo.

I chimici che sperimentano la funzionalizzazione C-H usano spesso un gruppo dirigente, un'entità chimica che si combina con un catalizzatore e quindi dirige il catalizzatore verso un particolare legame C-H. Il processo funziona, ma è ingombrante.

Il laboratorio Davies ha aggirato la necessità di un gruppo di regia sviluppando catalizzatori racchiusi in scaffold tridimensionali. L'impalcatura a forma di ciotola agisce come una serratura e una chiave per consentire solo a particolari legami C-H in un composto di avvicinarsi al catalizzatore e subire la reazione.

"Ciascuno dei catalizzatori è senza precedenti, ottenendo un diverso tipo di selettività rispetto a quanto visto in precedenza, " Dice Davies. "Stiamo sviluppando un toolkit di nuovi catalizzatori e reagenti che effettueranno la funzionalizzazione selettiva di C-H in diversi siti su diverse molecole".

Oltre a controllare la selettività del sito, lo scaffold dei catalizzatori al dirodio controlla la chiralità delle molecole prodotte nella reazione. chiralità, noto anche come "mano, " si riferisce a una proprietà della simmetria tridimensionale. Proprio come la mano umana è chirale, perché la mano destra è l'immagine speculare della sinistra, le molecole possono essere "destrimani" o "sinistri".

La manualità di una molecola è importante in chimica organica, poiché questa forma 3D influenza il modo in cui interagisce con altre molecole a mano. Quando si sviluppa un nuovo farmaco, ad esempio, è fondamentale controllare la chiralità delle molecole del farmaco perché le molecole biologiche riconoscono la differenza.

Il corrente Natura L'articolo descrive il quinto importante nuovo catalizzatore per la funzionalizzazione C-H che il laboratorio Davies ha sviluppato negli ultimi due anni.

Come studente laureato, Kuangbiao Liao (che da allora ha ricevuto il suo dottorato di ricerca da Emory e ora lavora per l'azienda farmaceutica AbbVie) è stato il primo autore di due articoli apparsi in Natura e un altro pubblicato da Chimica della natura per i catalizzatori sviluppati nel 2016 e nel 2017. Lo studente laureato Wenbin Liu ha guidato il lavoro su un quarto catalizzatore sviluppato all'inizio di quest'anno, pubblicato da Giornale della Società Chimica Americana .

"Abbiamo raggiunto uno squisito controllo del catalizzatore che è al di là di ciò che la gente pensava sarebbe stato possibile anche due o tre anni fa, " Dice Davies. "È incredibile quello che i miei studenti sono stati in grado di ottenere".

Il laboratorio Davies sta ora esplorando l'aggiunta di effetti elettronici ai suoi catalizzatori al dirodio. "Invece di interagire solo con forme inerti, vogliamo che i nostri catalizzatori abbiano la capacità di respingere o attrarre elettronicamente diverse molecole, " spiega Davies. "Questo potrebbe rendere i nostri metodi ancora più sofisticati e sottili di quanto possiamo ottenere ora, aprendo ulteriori nuove vie chimiche".