Nella ricerca di alternative più economiche ed ecologiche ai catalizzatori di metalli preziosi comunemente utilizzati come il palladio, il nichel è diventato una scelta sempre più popolare negli ultimi due decenni per i chimici organici che assemblano frammenti di molecole per una varietà di applicazioni chimiche, in particolare trasformazioni chiamate reazioni di accoppiamento incrociato. .
Si scopre che i catalizzatori al nichel sono molto bravi a mettere insieme i legami carbonio-carbonio che formano gli elementi costitutivi di base delle molecole complesse nella chimica organica, in particolare i legami C-C tra gruppi alchilici.
"Si tratta di un'area calda nel contesto della metodologia organica", ha affermato Liviu M. Mirica, professore di chimica presso l'Università dell'Illinois Urbana-Champaign, il cui gruppo di ricerca negli ultimi dieci anni ha studiato le reazioni catalizzate dal nichel.
Nonostante la crescente popolarità, gli scienziati non comprendono del tutto i meccanismi delle reazioni catalizzate dal nichel, in particolare le reazioni di accoppiamento incrociato, e una comprensione più approfondita di come funzionano potrebbe renderle più utili ed efficienti.
I ricercatori del laboratorio Mirica hanno sviluppato la capacità di "vedere" ogni singolo passaggio della reazione catalizzata dal nichel e i ruoli di ciascun partecipante nell'azione, come una riproduzione al rallentatore.
Come spiegano i ricercatori in un articolo recentemente pubblicato sulla rivista Chem , il loro lavoro ha rivelato prove inequivocabili di come funzionano le reazioni catalizzate dal nichel, ma la loro ricerca ha anche rivelato un attore inaspettato nell'azione. Il solvente, l'acetonitrile, ha aumentato la quantità di prodotto generato dalle reazioni nel loro studio.
"Abbiamo analizzato a un livello molto preciso ogni singolo passaggio di questo ciclo catalitico, il che ci ha permesso di vedere questo ruolo benefico dell'acetonitrile, che non era mai stato osservato prima", ha detto Mirica, il cui gruppo di ricerca, ex studente laureato Dr. Leonel Griego e l'attuale studente laureato Ju Byeong Chae, co-primo autore di questo lavoro, ha analizzato il ciclo catalitico attraverso studi meccanicistici che coinvolgono la spettroscopia EPR, metodi elettrochimici e studi sulla trappola dei radicali.
"Ciò ci consente anche di trovare additivi benefici o scoprire ruoli che non erano stati osservati prima ed è esattamente quello che è successo con questo solvente, l'acetonitrile, che non è un solvente comunemente utilizzato dai chimici organici in questo tipo di reazione di accoppiamento incrociato."
Secondo il gruppo di ricerca, l'acetonitrile e il sistema ligando creato nel loro laboratorio formano una combinazione perfettamente bilanciata e mostrano "un effetto magico" che può essere utilizzato dai chimici organici per favorire un'ampia gamma di trasformazioni organometalliche mediate dal nichel.
Il loro studio meccanicistico mostra che l'acetonitrile non solo stabilizza il nichel nelle varie fasi della reazione, ma lo stabilizza proprio nella giusta quantità, promuovendo anche il passaggio chiave della reazione catalitica chiamato eliminazione riduttiva.
"Quindi, l'acetonitrile è il solvente Goldilocks in quel sistema che stabilizza la giusta quantità ma promuove anche il giusto tipo di reazione", ha affermato Mirica.
In ogni fase di una reazione catalitica mediata dal nichel, ci sono intermedi reattivi in cui il nichel adotta diversi stati di ossidazione. Il gruppo Mirica ha sviluppato la capacità di produrre tipi speciali di ligandi, che sono molecole che si legano a un atomo di metallo centrale e consentono la regolazione fine della stabilità degli intermedi del nichel, che è vitale per lo studio di reazioni catalitiche utili. In genere, nella chimica sintetica, più stabile significa meno reattivo, quindi esiste un equilibrio tra i due che è importante per una reazione.
Ciò su cui Mirica e il suo gruppo di ricerca si sono concentrati più recentemente - e questo articolo è un ottimo esempio - è lo sviluppo di sistemi di ligandi che rendono gli intermedi leggermente più stabili, il che consente ai ricercatori di studiare la meccanica in dettaglio, ma hanno anche reso gli intermedi cataliticamente attivi, il che li rende utili per la chimica.
"Quindi, questo è il vero punto debole", ha detto Mirica, riferendosi al loro "ingombrante" ligando e all'acetonitrile che creano un sistema Goldilocks che è "perfetto".
Il ligando, ha detto, è abbastanza voluminoso da proteggere il centro del nichel da altre reazioni collaterali, ma non troppo voluminoso da impedire il legame dei due frammenti molecolari che si desidera unire. Inoltre, il solvente acetonitrile contribuisce ulteriormente a supportare gli intermedi reattivi che non sono né troppo stabili né troppo reattivi.
"Si tratta di un equilibrio molto sottile tra stabilizzare gli intermedi ma anche promuovere la reattività, ma solo promuovere la reattività desiderata", ha affermato Mirica. "Quindi non è solo il ligando, ma la miscela di solventi e le giuste condizioni di reazione che ci consentono di migliorare effettivamente la resa."
Chae ha detto che hanno anche scoperto che esiste un equilibrio chimico all'opera. La resa del prodotto dipende dalla quantità di acetonitrile. Chae ha spiegato che precedenti studi sull'acetonitrile-nichel avevano teorizzato che il solvente svolgeva un ruolo solo in una parte del ciclo.
"Quello che abbiamo scoperto qui è che l'acetonitrile è coinvolto in tutti gli intermedi catalitici. Questo è ciò che è diverso dagli studi precedenti. Una volta compreso il meccanismo e il ruolo dell'acetonitrile, siamo stati in grado di migliorare la formazione del prodotto catalitico in modo logico ," Egli ha detto. "Quindi penso che questa sia la bellezza del nostro studio."
Mirica ha affermato che Chae sta ora esplorando una gamma più ampia di substrati e una gamma più ampia di ligandi per migliorare il loro sistema "Riccioli d'oro" e per vedere quali altre trasformazioni potrebbero essere possibili.
"L'obiettivo a lungo termine su cui si sta concentrando la metodologia organica è lo sviluppo di modi più semplici, metodi più snelli, per costruire molecole più complesse e mettere insieme frammenti per costruire quella complessità. Quindi, puoi creare prodotti farmaceutici più utili o molecole più complesse per applicazioni nella scienza dei materiali. [La catalisi mediata dal nichel] è un modo fondamentale per mettere insieme le molecole", ha affermato Mirica.
Ulteriori informazioni: Leonel Griego et al, Un ingombrante 1,4,7-triazaciclononano e acetonitrile, un sistema Goldilocks per sondare il ruolo di Ni III e Ni I centri di catalisi di accoppiamento incrociato, Chem (2023). DOI:10.1016/j.chempr.2023.11.008
Informazioni sul giornale: Chimica
Fornito dall'Università dell'Illinois a Urbana-Champaign
