Nel continuo sforzo di accelerare le reazioni catalitiche, l'ossidazione dei complessi metallici mediante la luce è emersa come metodo standard per sintetizzare i composti aromatici. Ora, i ricercatori del Tokyo Institute of Technology hanno dimostrato un percorso di sintesi ad alto rendimento attraverso la riduzione dei complessi di rodio, utilizzando un catalizzatore di nuova concezione che consente di aggiungere elementi carenti di elettroni ai composti aromatici, aprendo possibilità di sintetizzare prodotti bioattivi e materiali funzionali.

I catalizzatori consentono alle reazioni chimiche di essere più veloci e più efficienti dal punto di vista energetico e sono ampiamente utilizzati nei processi industriali e biologici. Ogni reazione chimica richiede una certa quantità minima di energia per avvenire con successo. I catalizzatori riducono questa energia combinandosi con i reagenti per formare "intermedi" a bassa energia, " che vanno a dare il prodotto finale.

Il rodio metallico (Rh) è un buon candidato per un catalizzatore in quanto possono avere più stati di ossidazione che consentono loro di formare complessi o intermedi con i reagenti. Recentemente, le reazioni catalizzate dai metalli sono state ottimizzate utilizzando la luce per modificare lo stato di ossidazione del composto intermedio, consentendo ai ricercatori di aggiungere con successo vari sostituenti, noti come "gruppi funzionali" agli areni (idrocarburi con atomi di carbonio che formano anelli). La maggior parte di questi studi implica l'induzione di un intermedio "cationico" (caricato positivamente) con la luce che può facilitare lo scambio con gruppi funzionali ricchi di elettroni per produrre areni funzionalizzati.

Ora, in un nuovo studio pubblicato su Giornale della Società Chimica Americana , i ricercatori del Tokyo Institute of Technology (Tokyo Tech) hanno ampliato la portata delle reazioni catalizzate da metalli indotte dalla luce dimostrando un metodo di sintesi che utilizza un complesso Rh "anionico" (caricato negativamente) per consentire l'aggiunta di un gruppo di boro carente di elettroni ad un'arena.

Nel loro studio, hanno usato un catalizzatore a base di ciclopentadienile (Cp)-rodio di nuova concezione, che inizialmente formava un complesso neutro con l'arene. Questo complesso ha poi subito una "riduzione" (guadagno di elettroni) sotto irraggiamento luminoso per formare un intermedio anionico che, a sua volta, facilitato uno scambio di un ligando (una molecola attaccata a un atomo di metallo) con un gruppo diboro per produrre composti chiamati "arilboronati" in un processo noto come "borilazione". Professor Yuki Nagashima, che ha condotto lo studio, elabora, "Le reazioni catalitiche sono tipicamente accelerate dall'ossidazione di complessi metallici a intermedi cationici. Noi, Invece, ha utilizzato una strategia "riduttiva" per catalizzare la reazione di borilazione degli areni attraverso percorsi di reazione alternativi".

I ricercatori hanno inizialmente determinato i tipi di areni che avrebbero formato intermedi adatti con il catalizzatore attraverso calcoli della teoria del funzionale della densità dipendente dal tempo e quindi hanno eseguito uno screening per il catalizzatore per la reazione di borilazione. Dopo aver testato una varietà di catalizzatori su areni e sul gruppo diboro, hanno scoperto che il complesso di metallo neutro doveva essere eccitato a uno "stato di tripletta" con la luce, prima che potesse essere ridotto al suo stato anionico per produrre il corrispondente arilboronato.

La nuova strategia di sintesi ha funzionato per areni contenenti un'ampia varietà di gruppi funzionali e ha generato rese elevate (fino al 99%). Per di più, rispetto alla convenzionale borilazione catalizzata da metalli, usava reagenti più blandi e permetteva la borilazione a temperatura ambiente, rendendo il processo più pulito e più efficiente dal punto di vista energetico.

"Abbiamo sviluppato il primo protocollo per la generazione di complessi metallici anionici attraverso la 'riduzione' fotoeccitata degli intermedi Cp-Rh. Questo aprirà la strada alla funzionalizzazione di altri elementi carenti di elettroni, come silano e stagno, così come la sintesi di composti bioattivi e funzionali, "dice Nagashima, parlando delle prospettive future del loro studio.

Dopotutto, "riduzione" è decisamente meglio quando meno è di più!