Katalizator organiczny zapewnia chemikom precyzyjną kontrolę nad istotnym etapem aktywacji węglowodorów.
Naukowcy opracowali nowatorską metodę aktywacji alkanów przy użyciu zamkniętych chiralnych kwasów Brønsteda, znacznie zwiększającą wydajność i selektywność reakcji chemicznych. Ten przełom pozwala na precyzyjne rozmieszczenie atomów w produktach, kluczowych dla tworzenia specyficznych form cząsteczek stosowanych w farmaceutykach i materiałach zaawansowanych.
Przełom w chemii organicznej
Naukowcy przy Uniwersytet Hokkaido w Japonii osiągnęli znaczący przełom w chemii organicznej dzięki nowatorskiej metodzie aktywacji alkanów – kluczowych związków w przemyśle chemicznym. Opublikowano w Naukata nowa technika upraszcza przekształcanie tych podstawowych pierwiastków w cenne związki, usprawniając produkcję leków i zaawansowanych materiałów.
Alkany, główny składnik paliw kopalnych, są niezbędne do produkcji szerokiej gamy chemikaliów i materiałów, w tym tworzyw sztucznych, rozpuszczalników i smarów. Jednak ich mocne wiązania węgiel-węgiel sprawiają, że są one wyjątkowo stabilne i obojętne, co stanowi poważne wyzwanie dla chemików starających się przekształcić je w bardziej przydatne związki. Aby przezwyciężyć ten problem, naukowcy zwrócili uwagę na cyklopropany, unikalny rodzaj alkanów, których struktura pierścieniowa czyni je bardziej reaktywnymi niż inne alkany.
Wiele istniejących technik rozkładania długołańcuchowych alkanów, znanych jako kraking, ma tendencję do generowania mieszaniny cząsteczek, co utrudnia wyizolowanie pożądanych produktów. To wyzwanie wynika z kationowego związku pośredniego, jonu węglowego, który zawiera węgiel atom związany z pięcioma grupami zamiast trzech typowo opisywanych dla karbokationu w podręcznikach chemii. To sprawia, że jest niezwykle reaktywny i trudny do kontrolowania jego selektywności.
Precyzja i wydajność w katalizie
Zespół badawczy odkrył, że szczególna klasa zamkniętych chiralnych kwasów Brønsteda, zwana imidodifosforimidanem (IDPi), może rozwiązać ten problem. IDPi to bardzo mocne kwasy, które mogą oddawać protony w celu aktywacji cyklopropanów i ułatwiania ich selektywnej fragmentacji w mikrośrodowisku. Możliwość oddawania protonów w obrębie tak ograniczonego miejsca aktywnego pozwala na większą kontrolę nad mechanizmem reakcji, poprawiając wydajność i selektywność w wytwarzaniu wartościowych produktów.
„Wykorzystując określoną klasę tych kwasów, stworzyliśmy kontrolowane środowisko, które umożliwia cyklopropanom rozpad na alkeny, zapewniając jednocześnie precyzyjny układ atomów w powstałych cząsteczkach” – mówi profesor Benjamin List, który kierował badaniami wraz z profesorem nadzwyczajnym Nobuyą Tsuji jest członkiem Instytutu Projektowania i Odkrywania Reakcji Chemicznych na Uniwersytecie Hokkaido i jest powiązany zarówno z Max-Planck-Institut für Kohlenforschung, jak i Uniwersytetem Hokkaido. „Ta precyzja, znana jako stereoselektywność, ma kluczowe znaczenie na przykład w zapachach i farmaceutykach, gdzie konkretna forma cząsteczki może znacząco wpływać na jej funkcję”.
Optymalizacja katalizatora i spostrzeżenia obliczeniowe
Sukces tej metody wynika ze zdolności katalizatora do stabilizowania unikalnych, przejściowych struktur powstałych podczas reakcji, kierując proces w stronę pożądanych produktów, minimalizując jednocześnie niepożądane produkty uboczne. Aby zoptymalizować swoje podejście, badacze systematycznie udoskonalali strukturę katalizatora, co poprawiło wyniki.
„Modyfikacje, które wprowadziliśmy w niektórych częściach katalizatora, umożliwiły nam wytworzenie większych ilości pożądanych produktów i określonych form cząsteczki” – wyjaśnia profesor nadzwyczajny Nobuya Tsuji, drugi autor korespondencyjny tego badania. „Korzystając z zaawansowanych symulacji obliczeniowych, byliśmy w stanie zwizualizować, w jaki sposób kwas wchodzi w interakcję z cyklopropanem, skutecznie kierując reakcją w kierunku pożądanego rezultatu.”
Konsekwencje dla przemysłu chemicznego
Naukowcy przetestowali także swoją metodę na różnych związkach, wykazując jej skuteczność w przekształcaniu nie tylko określonego rodzaju cyklopropanów, ale także bardziej złożonych cząsteczek w cenne produkty.
To innowacyjne podejście zwiększa efektywność reakcji chemicznych, a także otwiera nowe możliwości tworzenia cennych substancji chemicznych z powszechnych źródeł węglowodorów. Możliwość precyzyjnego kontrolowania rozmieszczenia atomów w produktach końcowych może doprowadzić do opracowania ukierunkowanych chemikaliów do różnorodnych zastosowań, od farmaceutyków po zaawansowane materiały.
Odniesienie: „Katalityczna asymetryczna fragmentacja cyklopropanów” autorstwa Ravindry Krushnaji Raut, Satoshi Matsutani, Fuxing Shi, Shuta Kataoka, Margareta Poje, Benjamin Mitschke, Satoshi Maeda, Nobuya Tsuji i Benjamin List, 10 października 2024 r., Nauka.
DOI: 10.1126/science.adp9061
Badania te były wspierane przez Instytut Projektowania i Odkrywania Reakcji Chemicznych (ICReDD), który został utworzony przez Międzynarodową Inicjatywę Badawczą World Premier (WPI), MEXT, Japonia; platforma badawcza List Sustainable Digital Transformation Catalyst Collaboration oferowana przez Uniwersytet Hokkaido; Japońskie Towarzystwo Promocji Nauki (JSPS), JSPS KAKENHI (21H01925, 22K14672); Japońska Agencja Nauki i Technologii (JST) SPRING (JPMJSP2119); Towarzystwo Maxa Plancka; Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG, Niemiecka Fundacja Badawcza) w ramach niemieckiej strategii doskonałości (EXC 2033-390677874-RESOLV); Europejska Rada ds. Badań Naukowych (ERC) [European Union’s Horizon 2020 research and innovation program “C−H Acids for Organic Synthesis, CHAOS,” Advanced Grant Agreement no. 694228; and European Union’s Horizon 2022 research and innovation program “Early Stage Organocatalysis, ESO”, Zaawansowana Umowa o Dotację nr. 101055472]; oraz Fonds der Chemischen Industrie.
