Il dottor Petri Turhanen stava lavorando alla sintesi di una versione modificata della molecola biologica adenosina trifosfato (ATP), quando ha scoperto che la resina a scambio cationico che stava usando stava producendo involontariamente un'altra molecola. Indagini più approfondite hanno rivelato che la molecola era stata iodata, il che significa che era stato aggiunto un atomo di iodio. Questa reazione specifica è difficile da eseguire utilizzando le attuali tecniche di sintesi, che spesso si basano su sostanze chimiche tossiche e pericolose e condizioni di reazione ruvide.

Mentre incombe una crisi ambientale, ridurre il nostro impatto sul pianeta diventa più pertinente che mai. Potresti trovare rassicurazione nel fare scelte di vita coscienziose, ma per molti c'è un problema difficile da ignorare:che dire dell'uso meno visibile delle risorse? Che dire dei rifiuti e dei trasporti che avvengono a livello industriale, quei processi che ci forniscono medicinali, cosmetici e altri prodotti?

La gestione dell'impatto ambientale di questi processi rientra spesso nelle competenze della "chimica verde, " il concetto di progettare processi chimici con il minimo impatto sull'ambiente. La richiesta di soluzioni tecnologiche è in aumento, e la speranza è che noi umani possiamo ridurre la nostra dipendenza da risorse dannose e non rinnovabili, e limitare i sottoprodotti pericolosi dell'industria, mantenendo o migliorando la nostra attuale qualità della vita.

Collegamento dei carboni

Gran parte della chimica organica, la costruzione di molecole a base di carbonio, riguarda la creazione di legami tra il carbonio e altri atomi, come l'azoto, ossigeno, boro, zolfo, fosforo o un secondo carbonio. Collegare questi atomi è il Santo Graal della chimica organica perché consente ai chimici di costruire diversi tipi di composti organici. Perché la vita è "basata sul carbonio, "molti dei farmaci più importanti sono anche a base di carbonio, molecole organiche.

Ma creare questi legami non è sempre semplice. Molecole contenenti legami carbonio-iodio (C-I) sono spesso utilizzate come molecole intermedie, come un'impalcatura che rende possibile la sintesi di molecole organiche più grandi. Questo perché non solo i legami C-I sono relativamente facili da formare, ma lo iodio è anche abbastanza facile da sostituire con un altro atomo.

Questi composti "iodurati" possono essere utilizzati anche per qualcosa di più della semplice sintesi. Lo iodio ha importanti isomeri, Come ¹²³ IO, ¹²⁴ Io e ¹²⁵ IO, che sono radioattivi. Le molecole organiche iodurate radioattive sono utilizzate in applicazioni sanitarie come la tomografia a emissione di positroni (scansione PET), terapia e diagnostica del cancro. Ma le reazioni chimiche eseguite a livello industriale per creare questi importanti composti iodurati utilizzano spesso materiali di partenza tossici, solventi nocivi e persino metalli pesanti come catalizzatori.

Metodi di iodurazione

I metodi tradizionali per le molecole iodanti possono utilizzare I2 come fonte di ioduro, e per alcune reazioni funziona molto bene. Però, per reazioni che richiedono una temperatura più alta, c'è un problema. Con pochissimo calore, lo iodio può sublimare, il che significa che passa direttamente dallo stato solido all'essere un gas.

Per alcuni composti, sono necessari altri metodi per iodare con successo. Ma questi metodi difficilmente potrebbero essere considerati rispettosi dell'ambiente:coinvolgono reagenti pericolosi come il perossido di idrogeno, trimetilsolfonio iodato e monocloruro di iodio, e solventi come il diclorometano, diossano e tetraidrofurano:composti dannosi, se non tossico, cancerogeno, dannoso per l'ambiente o esplosivo.

Scoperta inaspettata

Qui è dove il dottor Petri Turhanen, ricercatore presso l'Università della Finlandia orientale, fatto una scoperta inaspettata. Durante lo sviluppo di una via di sintesi per un derivato dell'ATP, una molecola importante nelle cellule, il suo gruppo di ricerca ha scoperto che tra il prodotto previsto c'era un altro prodotto che non si aspettavano. L'esecuzione di test NMR su questo composto ha confermato la sua identità. Dove il materiale di partenza aveva un doppio legame tra due atomi di carbonio, questa molecola aveva un singolo legame, e un atomo in più su entrambi i carboni:un idrogeno e uno iodio.

Reazioni di addizione

Questo tipo di reazione, la rottura di un doppio legame di carbonio per aggiungere due atomi, è nota come reazione di addizione. Esistono alcuni metodi per eseguire l'aggiunta di idrogeno e iodio attraverso i doppi legami del carbonio, purché il doppio legame faccia parte di una catena più lunga. Ma questa specifica reazione di addizione, di idrogeno e iodio attraverso un doppio legame di carbonio all'estremità di una catena, è estremamente raro in letteratura. Allora perché questa sintesi non era mai stata trovata prima?

Parte della risposta risiede nei materiali specifici utilizzati per completare questa reazione. Il gruppo del dottor Turhanen stava usando una sostanza nota a molti come Dowex, una resina solida costituita dal polistirene solfonato chimico. Dowex è una resina a scambio cationico, il che significa che la resina "immagazzina" ioni positivi, che può scambiare con altri ioni positivi. Un esempio di utilizzo di questo materiale è nell'addolcimento dell'acqua, dove l'acqua dura viene fatta passare attraverso la forma sodica di Dowex. La resina assorbe gli ioni calcio e magnesio, rilasciando ioni sodio nell'acqua. E poiché gli usi di Dowex sono così specifici, questa è la prima volta che viene utilizzato per eseguire questo tipo di reazione di addizione.

Scegliere la migliore fonte di ioduro

Da quando ha scoperto questo uso non convenzionale di Dowex, Turhanen e il suo team hanno studiato sistematicamente quante più variazioni possibili su questa reazione. Hanno testato gli ioduri di potassio, rubidio, nichel, ammonio, manganese e antimonio, ma le migliori rese si ottengono tipicamente usando lo ioduro di sodio facilmente disponibile.

Test iniziale

Inizialmente, Turhanen e il suo team hanno testato oltre 50 tipi di reazione, trovare molti nuovi metodi per produrre molecole contenenti iodio che si estendono ben oltre l'aggiunta di idrogeno e iodio attraverso un doppio legame carbonio-carbonio.

Usando il metodo di Turhanen, l'intera reazione può avvenire come un 'one-pot, "a passi limitati, minor spreco e reagenti limitati.

Una delle prime reazioni che Turhanen scoprì fu la reazione di apertura dell'anello degli eteri ciclici (anelli di carbonio in cui un atomo è un ossigeno), che in precedenza era impossibile per alcune specifiche molecole di etere ciclico. Questa reazione crea molecole note come iodoalcanoli, che contengono un gruppo alcolico (OH) ad un'estremità e un atomo di iodio all'altra. Gli iodoalcanoli sono molecole preziose nella sintesi organica, ma sono comunemente realizzati utilizzando reagenti, che può essere dannoso per l'ambiente. Utilizzando una resina a scambio cationico e ioduro di sodio, Il metodo di Turhanen è molto più rispettoso dell'ambiente. Alcuni eteri ciclici sono particolarmente difficili da aprire, Mi piace (1, 4-diossano, la cui apertura non è stata finora segnalata. La maggior parte delle reazioni finora richiedono sostanze tossiche come il trifluoruro di bario. Questo non è più necessario utilizzando il nuovo metodo.

di-ioduri

Più recentemente, Turhanen ha riportato la capacità di Dowex e ioduro di sodio di convertire gli etini, molecole con un triplo legame carbonio-carbonio, in di-ioduri, aggiungendo un atomo di iodio a entrambi gli atomi di carbonio di etino. Il test di 12 molecole di etino prontamente disponibili ha mostrato che questo processo è versatile e fornisce rese fino al 78%. Molti dei composti prodotti sono stati riportati solo poche volte in letteratura, e due di loro erano in precedenza completamente sconosciuti.

esterificazione

Giocando con i parametri di queste reazioni, Turhanen e il suo gruppo di ricerca si sono imbattuti in un'altra bella scoperta:mentre usavano alcoli come solventi con acidi carbossilici, sono state trovate alcune condizioni di reazione più inaspettatamente blande per creare esteri. Gli esteri sono composti che producono un gusto, Per esempio, Mela. Queste reazioni non sono affatto nuove in chimica, ma sono importanti aree di sviluppo nella chimica verde perché gli esteri metilici degli acidi grassi sono il componente principale del biodiesel. L'esterificazione avviene tipicamente utilizzando temperature fino a 100 °C nel corso di diverse ore o addirittura giorni. Usando Dowex, Turhanen è stato in grado di esterificare alcuni acidi grassi liberi a temperatura ambiente in soli 15 minuti, con rendimenti del 99%. Estendendolo a uno scenario più realistico per la creazione di biodiesel, Turhanen ha prelevato campioni di olio da cucina usato dai ristoranti locali e li ha convertiti in biodiesel, con purezza superiore al 95%.

Una reazione simile consente al gruppo di creare esteri da alcoli e acidi carbossilici in condizioni blande. Gli amminoacidi naturali possono essere esterificati senza protezione da gruppi amminici. Alcuni tipi di eteri possono anche essere preparati con il metodo. Una delle applicazioni più interessanti di questo è l'eterificazione selettiva di uno dei gruppi alcolici nel glucosio. Il metodo tradizionale per eseguire questa reazione è un processo a più fasi che utilizza ingombranti gruppi "protettori" che consentono solo la reazione della parte desiderata della molecola di glucosio. Usando il metodo di Turhanen, l'intera reazione può avvenire come un 'one-pot, "a passi limitati, minor spreco e reagenti limitati.

Chimica verde

La proprietà delle resine a scambio cationico utilizzate insieme allo ioduro di sodio per funzionare come reagente o catalizzatore in così tante reazioni rende questo uno strumento prezioso per la sintesi organica, soprattutto perché alcune delle reazioni non erano mai state possibili in precedenza.

Uno degli aspetti più interessanti di questa scoperta è l'impatto che avrà sul modo in cui vengono sintetizzate alcune sostanze chimiche organiche. In un'epoca in cui la chimica verde è una parte necessaria per sostenere il benessere globale, questo metodo può efficacemente sostituire molte delle condizioni di reazione più dannose per l'ambiente. Dove reagenti nocivi, tradizionalmente sono stati utilizzati solventi e catalizzatori, i chimici organici possono ora optare per il semplice, solvente verde 2-propanolo; invece di reazioni complesse a più fasi, alcune vie sintetiche sono ora possibili utilizzando un metodo 'one pot'; e dove vengono attualmente utilizzati catalizzatori di metalli pesanti tossici, una resina riutilizzabile può essere altrettanto efficace anche a temperature più basse.

Risposta personale

Delle potenziali applicazioni di queste nuove condizioni di reazione, quale trovi più eccitante?

"Primo, l'applicazione più entusiasmante è stata la facilità di sintesi del biodiesel dall'olio da cucina usato. In realtà, secondo le mie conoscenze il metodo che abbiamo trovato è l'unico che funziona anche per olio da cucina parzialmente idrolizzato senza formare sapone come fanno gli attuali metodi industriali utilizzati per produrre biodiesel. Secondo, Dowex è riutilizzabile nella maggior parte dei casi come le esterificazioni e non necessita nemmeno di riattivazione o rigenerazione, che rende il metodo "verde". Terzo, utilizzando il metodo apre nuove reazioni, come quelli che abbiamo mostrato, Per esempio, aprendo per la prima volta il 1, 4-diossano a I(CH ₂ ) ₂ O(CH ₂ ) ₂ OH che è un importante precursore della sintesi dei poliglicoli. E ce ne sono altri in arrivo".