Presso l'Istituto Leibniz per la catalisi di Rostock, il dottor Johannes Fessler ha sviluppato nuovi metodi per la sintesi di precursori di farmaci utilizzando catalizzatori a base di ferro, manganese e cobalto. Ciascuno di questi tre elementi chimici ha il potenziale per sostituire una serie di metalli nobili comunemente utilizzati nella chimica organica per catalizzare la chimica fine.
Il platino e il palladio, ad esempio, sono costosi perché sono rari, la loro estrazione è costosa e rilasciano grandi quantità di gas serra CO2 . Uno degli obiettivi della chimica "verde" è quindi quello di fare a meno in futuro di tali metalli nobili nella catalisi organometallica.
Johannes Fessler ha ottenuto le sue scoperte nell'ambito della sua tesi, che ha discusso a gennaio. Ne ha parlato in Chemical Science , insieme al suo supervisore del dottorato, il Prof. Dr. Matthias Beller, e alla responsabile del gruppo di ricerca, la Dr.ssa Kathrin Junge. Ad esempio, puoi leggere come un candidato ingrediente attivo complesso a base di pirrolo, un comune precursore di farmaci, viene creato da "semplici materiali di partenza" con l'aiuto di un catalizzatore di ferro omogeneo resistente agli acidi e a temperatura ambiente.
Catalisi "omogenea" significa che i materiali di partenza, il catalizzatore, il solvente e infine il prodotto e il sottoprodotto vengono disciolti in un unico recipiente di reazione. Devono quindi essere separati dopo ogni fase di reazione, purificati e preparati per la fase successiva, come spiega il Dr. Fessler.
"Se si riesce a salvare uno di questi passaggi nel processo chimico, si riduce notevolmente la quantità di tempo e materiale necessari e si minimizzano gli sprechi." Questo è esattamente ciò che ha ottenuto con la reazione al pirrolo, utilizzando una reazione a cascata.
La sostituzione dei metalli nobili come catalizzatori con ferro e simili è diventata un argomento di ricerca interessante a livello internazionale. Negli ultimi anni LIKAT ha acquisito una forte esperienza in questo campo. Johannes Fessler stima che un quarto dei suoi giovani colleghi dell'istituto stiano lavorando sulla catalisi dei metalli non nobili nelle loro tesi di dottorato.
Da un lato, questo lavoro aiuta a conservare le risorse. Il Dr. Fessler afferma:"Il compito di una gestione sostenibile e neutrale dal punto di vista climatico spetta all'industria chimica così come a tutti gli altri settori". Il ferro è abbondante e costituisce il 5% della crosta terrestre. E dopo il ferro e il titanio, il manganese è il metallo di transizione più comune sulla Terra (il nome deriva dalla sua posizione nella tavola periodica).
D’altro canto c’è un motivo per cui i metalli di base hanno avuto finora solo un ruolo marginale nella chimica organica. "Spesso sono meno stabili nei processi catalitici rispetto ai catalizzatori realizzati con metalli nobili", afferma il Dr. Fessler. "Inoltre, di solito lavorano a temperature e pressioni elevate nell'area che sto ricercando."
Tuttavia, condizioni così difficili distruggerebbero le complesse molecole nella produzione dei farmaci. Particolarmente a rischio sono le strutture chimiche che garantiscono l'effetto specifico di un farmaco, i cosiddetti gruppi funzionali nella molecola.
A questo proposito, è un grande successo poter mostrare come i catalizzatori costituiti da ferro, manganese e cobalto possano talvolta gestire condizioni di reazione significativamente più blande rispetto alla pratica precedente.
Nel caso del pirrolo si tratta di temperature comprese tra 20 e 30 gradi Celsius. Gli esperimenti di Johannes Fessler hanno rivelato un altro vantaggio del suo approccio:i suoi catalizzatori di metalli non nobili convertivano in modo molto preciso solo quelle molecole di cui i chimici avevano bisogno nella sintesi vera e propria. "Chiamiamo questo approccio altamente selettivo. Non produce quasi nessun sottoprodotto o rifiuto."
Johannes Fessler ha testato il funzionamento affidabile della sua reazione su diversi principi attivi e precursori di farmaci. "Volevamo essere sicuri che il catalizzatore di ferro attivi anche il posto giusto per queste sostanze nella molecola e risparmi i gruppi funzionali sensibili." In questo modo, il chimico ha testato il suo metodo, tra gli altri, su farmaci per abbassare il colesterolo e pressione sanguigna ampiamente utilizzati.
Infine, la reazione a cascata menzionata all'inizio richiede come sostanza di partenza una sostanza contenente azoto chiamata nitroarene, che viene idrogenata nella prima fase utilizzando acido formico e un catalizzatore di ferro disponibile in commercio e poi subisce immediatamente una successiva reazione per formare pirrolo. Il pirrolo è una sostanza chimica fine comune nel settore farmaceutico. È uno degli eterocicli, composti di carbonio a forma di anello in cui un atomo di carbonio (C) è sostituito da un altro elemento, ad es. azoto (N).
La reazione a cascata comprende due fasi. Nella prima il nitroarene viene idrogenato per formare un'ammina, detta anche anilina, un anello benzenico con un gruppo amminico (NH2 ), che entra immediatamente in una reazione successiva. In questa reazione successiva, il secondo passaggio, il gruppo amminico viene fatto reagire con un composto dicarbonilico con eliminazione dell'acqua. Si condensa quindi per formare pirrolo.
La cascata avviene grazie all'ambiente acido, di cui l'acido formico è responsabile con la duplice funzione di agente riducente e di acido. Tuttavia, ciò richiede un catalizzatore che funzioni bene in condizioni acide. Questo è proprio il caso del catalizzatore a base di ferro utilizzato da Johannes Fessler.
Ulteriori informazioni: Johannes Fessler et al, Applicazione dei principi della chimica verde alla catalisi del ferro:sintesi domino delicata e selettiva di pirroli da nitroareni, Scienza chimica (2023). DOI:10.1039/D3SC02879H
Fornito da Leibniz Institute for Catalysis
