Un catalizator pe bază de nichel deschide calea sintezei β-amino alcoolilor greu de obținut
Multe molecule din organismele vii și din produsele farmaceutice împărtășesc o structură numită β-amino alcool, în care o grupare amino și una hidroxil sunt legate de atomi de carbon vecini. Aceste grupări, blocuri de construcție importante în biologie și medicină, se regăsesc în compuși precum sfingozina și efedrina. În astfel de molecule, aranjamentul tridimensional exact al atomilor poate influența puternic activitatea biologică, chiar dacă formula chimică este identică. De aceea, chimiștii care doresc să le sintetizeze au nevoie de tehnici care produc versiunea specifică dorită.
O metodă frecvent utilizată este reacția Henry, bine studiată, care unește un aldehidă și un nitroalcan pentru a forma un β-nitro alcool ce poate fi ulterior redus la un β-amino alcool. Totuși, majoritatea abordărilor catalitice ale reacției Henry produc așa-numita formă syn, în care cele două grupări sunt orientate de aceeași parte a moleculei. Forma anti, în care grupările sunt orientate de părți opuse, s-a dovedit mult mai greu de sintetizat în mod fiabil.
Un catalizator construit pe interacțiuni cooperante
Pentru a aborda această provocare, o echipă de cercetare condusă de profesorul Takayoshi Arai de la Școala de Studii Avansate în Științe a Universității Chiba din Japonia a proiectat un catalizator nou care favorizează forma anti, valorificând simultan mai multe tipuri de interacțiuni moleculare într-un singur sistem. Studiul, publicat online în Angewandte Chemie International Edition, a fost semnat împreună cu dr. Soushi Tsurusaki și dr. Hidesato Iwama, ambii de la aceeași instituție.
Cercetătorii au construit catalizatorul, numit o-X-F4-PyBidine-Ni(OTf)2 (X = Br sau I), în jurul unui complex de nichel care conține o structură moleculară numită PyBidine. Ei au introdus fie brom, fie iod într-o poziție specifică pe catalizator pentru a crea un sit capabil de legături halogenice. În legătura halogenică, o sarcină pozitivă numită σ-hole se formează la suprafața unui atom de halogen și stabilește interacțiuni electrostatice cu grupările funcționale. Această interacțiune necovalentă a ajutat la orientarea aldehidei într-o anumită direcție. Legătura de hidrogen, o forță de atracție mai familiară, care apare între un atom de hidrogen și un atom electronegativ, a ajutat de asemenea la fixarea aldehidei și la activarea acesteia. Între timp, nichelul, împreună cu o bază numită trietilamină, au activat nitroalcanul.
Selectivitate puternică pentru mai mulți reactanți
Împreună, aceste interacțiuni au poziționat cele două molecule reactante într-un aranjament favorabil extins, care a dus la produsul anti. Folosind alcool ca solvent, catalizatorul a produs forma anti cu o selectivitate de până la 96:4 față de forma syn pentru numeroase combinații de reactanți. De asemenea, a oferit un exces enantiomeric de până la 99%, ceea ce înseamnă că aproape tot produsul a fost aceeași versiune dintre cele două imagini speculare posibile ale formei anti. Metoda a funcționat cu numeroși aldehide aromatice, inclusiv cu cele care conțin un inel heterociclic, și cu mai multe tipuri de nitroalcani.
„Funcționarea coordonată a diverselor interacțiuni pe un singur catalizator reprezintă un progres în chimia catalitică de ultimă oră”, notează Arai. Versiunea cu brom a catalizatorului a fost adesea mai activă decât cea cu iod, posibil pentru că bromul este mai mic și lasă mai mult spațiu pentru apropierea moleculelor.
Pentru a înțelege detaliile fine ale modului în care catalizatorul controlează selectiv reacția, echipa a efectuat o serie de simulări computerizate. Acestea au arătat că calea cea mai favorabilă implică o legătură halogenică între atomul de brom și inelul aromatic al aldehidei, împreună cu legături de hidrogen și interacțiuni între nichel și gruparea nitro.
Spre sisteme catalitice mai complexe
În ansamblu, rezultatele acestei lucrări ar putea oferi o rută utilă pentru sinteza anti-β-amino alcoolilor, deoarece gruparea nitro din produșii de reacție poate fi ușor transformată într-o grupare amino prin metode chimice bine stabilite. Mai larg, studiul demonstrează că legătura halogenică poate fi folosită simultan cu legătura de hidrogen și coordonarea metalică.
Arai explică: „Am demonstrat cooperarea de ordin superior a legăturilor halogenice și a legăturilor de hidrogen pe un catalizator metalic în solvenți protici, ceea ce este fascinant pentru dezvoltarea metaloenzimelor artificiale și a medicamentelor bazate pe legături halogenice.” Acest tip de design de catalizator cooperant ar putea oferi noi strategii pentru controlul reacțiilor chimice și, pe termen lung, ar putea contribui la dezvoltarea unor sisteme catalitice mai complexe.
