I chimici del MIT hanno ideato una nuova reazione chimica che consente loro di sintetizzare un anello contenente fosforo, utilizzando un catalizzatore per aggiungere fosforo a semplici composti organici chiamati alcheni.

La loro reazione, che produce un anello contenente due atomi di carbonio e un atomo di fosforo, può essere eseguita a temperatura e pressione normali e utilizza una nuova molecola contenente fosforo "caricata a molla" che fornisce l'atomo di fosforo.

"Questo è un raro esempio di scoperta di una nuova reazione catalitica e apre una vera ricchezza di nuove opportunità per fare chimica grazie a una reazione che non è mai esistita prima", afferma Christopher Cummins, Henry Dreyfus Professor of Chemistry al MIT e l'autore senior dello studio.

Questi anelli contenenti fosforo potrebbero trovare usi come catalizzatori per altre reazioni o come precursori di composti utili come i prodotti farmaceutici, afferma Cummins.

Martin-Louis Riu, uno studente del MIT, è l'autore principale dell'articolo, pubblicato questa settimana sul Journal of the American Chemical Society . Anche l'ex ricercatore del MIT Andre Eckhardt è un autore dello studio.

Creazione di un anello

I composti organici che contengono doppi legami tra atomi di carbonio, noti anche come olefine o alcheni, sono importanti precursori in molte reazioni chimiche utili a livello industriale. Rompendo quei legami carbonio-carbonio e aggiungendo nuovi atomi o gruppi di atomi, i ricercatori possono creare un'ampia varietà di nuovi prodotti.

Ad esempio, i chimici hanno precedentemente escogitato modi per convertire un doppio legame carbonio-carbonio in un anello a tre membri aggiungendo un altro atomo di carbonio, un atomo di azoto o un atomo di ossigeno. Tali composti possono essere trovati in plastica, prodotti farmaceutici, tessili e altri prodotti utili.

Tuttavia, poiché il fosforo è più pesante del carbonio, dell'azoto o dell'ossigeno, è stato difficile trovare un modo per incorporarlo nelle olefine senza utilizzare metodi di "forza bruta" che richiedono condizioni chimiche difficili. Il team del MIT voleva trovare un modo per eseguire questa reazione in condizioni miti, utilizzando un catalizzatore per trasferire un gruppo fosfinidene, un atomo di fosforo legato a un gruppo chimico organico, all'olefina.

Per raggiungere questo obiettivo, avevano bisogno di un materiale di partenza che potesse fungere da fonte di fosfinidene, ma tali composti non esistevano perché analoghi diretti di quelli usati per elementi più leggeri come il carbonio sono instabili con il fosforo.

In un documento del 2019, il laboratorio di Cummins ha sviluppato una possibile fonte, costituita dal fosfinidene attaccato a una molecola che contiene diversi anelli di idrocarburi. Usando questo composto, sono stati in grado di sintetizzare un anello a tre membri contenente fosforo, ma la reazione ha richiesto temperature elevate e ha funzionato solo con alcuni tipi di olefine.

Nel loro nuovo articolo, il team del MIT ha utilizzato una diversa fonte di fosforo per la reazione, un composto che il laboratorio di Cummins ha sintetizzato per la prima volta nel 2021. Questa molecola è un tetraedro, una forma che ha intrinsecamente una grande quantità di "deformazione" energetica, molto come una molla compressa, a causa dei piccoli angoli di legame tra i quattro atomi che formano il tetraedro.

Questo composto, chiamato tri-terz-butilfosfatotraedrano, ha tre vertici costituiti da atomi di carbonio attaccati a un gruppo chimico chiamato terz-butile e un vertice costituito da un atomo di fosforo con una coppia non condivisa di elettroni. Nelle giuste condizioni, questa molecola tesa può essere rotta per rilasciare l'atomo di fosforo.

Sintesi efficiente

Utilizzando questa molecola caricata a molla, i ricercatori sono stati in grado di utilizzare un catalizzatore contenente nichel per trasferire il fosfinidene alle olefine per creare anelli a tre membri. Questa reazione può essere effettuata a temperatura ambiente, con elevata resa del prodotto desiderato.

"Tutte le stelle si sono allineate qui in termini di capacità di sintetizzare un precursore altamente teso che porta alla reattività a temperatura ambiente e a una rapida catalisi", afferma Cummins.

I ricercatori ora intendono studiare ulteriormente il meccanismo di come si verifica questa reazione, che secondo loro dipende dal trasferimento temporaneo del fosfinidene al complesso catalizzatore di nichel. Il catalizzatore incorpora quindi il fosforo nel doppio legame dell'olefina.

Sperano anche di esplorare la possibilità di creare una varietà di nuovi composti che includano l'anello contenente fosforo e di sviluppare modi per controllare quale delle due possibili versioni dell'immagine speculare viene sintetizzata. Una volta formati questi anelli contenenti fosforo, possono essere aperti aggiungendo ulteriori molecole per creare altri composti utili. Le potenziali applicazioni per questo tipo di prodotti includono catalizzatori per altre reazioni o componenti di prodotti farmaceutici che contengono fosforo. + Esplora ulteriormente

I chimici scoprono una nuova reattività di molecole tese

Questa storia è stata ripubblicata per gentile concessione di MIT News (web.mit.edu/newsoffice/), un popolare sito che copre notizie sulla ricerca, l'innovazione e l'insegnamento del MIT.