Un nou design de liganzi echilibrează generarea de radicali și regenerarea catalizatorului pentru reacții chimice dificile
Radicalii, atomi sau molecule care reacționează ușor cu alte substanțe pentru a forma noi legături, sunt instrumente utile pentru construirea de substanțe complexe, cum ar fi medicamentele. Însă, chiar dacă un radical este generat eficient, reacția nu poate continua dacă catalizatorul nu revine la starea sa inițială. O echipă de cercetători a dezvoltat o nouă strategie care echilibrează generarea de radicali și regenerarea catalizatorului, extinzând posibilitatea de a utiliza substraturi greu de activat pentru a sintetiza molecule complexe necesare în domeniul farmaceutic și în alte aplicații.
Echipa de cercetare condusă de profesorul Sarah Yunmi Lee de la Departamentul de Chimie a dezvoltat o metodă care utilizează un ligand, o moleculă ce se atașează de un catalizator metalic și îi controlează proprietățile, pentru a regla eficient procesul prin care un catalizator de cupru generează un radical și apoi revine la starea sa originală. Lucrarea este publicată în Journal of the American Chemical Society.
Reglarea ciclului redox al cuprului
Echipa a folosit un ligand bazat pe ciclopropenimină (CPI) pentru a ajusta comportamentul redox al catalizatorului de cupru, ajutându-l să genereze radicali și să revină la starea sa activă. În acest studiu, echipa a utilizat halogenuri de alchil terțiar, compuși în care bromul sau clorul este atașat de un centru de carbon terțiar, ca materiale de plecare. Când catalizatorul de cupru rupe această legătură, se generează un radical foarte reactiv. Acest radical formează apoi o nouă legătură carbon-carbon cu o altă parte a aceleiași molecule, creând o structură inelară.
Echilibrarea producției de radicali
Procesul este similar cu legarea celor două capete libere ale unui fir pentru a forma o buclă. Aceasta se numește reacție de ciclizare radicalică. Când echipa a comparat mai multe tipuri de liganzi, a descoperit că generarea mai multor radicali nu ducea neapărat la mai mult produs dorit. Unii liganzi erau foarte eficienți în generarea de radicali, dar nu produceau aproape deloc produsul final. Cel mai performant ligand bazat pe CPI, însă, a permis ca generarea de radicali și regenerarea catalizatorului să se desfășoare în echilibru. Dacă catalizatorul este comparat cu un muncitor care îndeplinește o sarcină în mod repetat, ligandul CPI acționează ca un ajutor care îi permite muncitorului să treacă la următoarea sarcină fără a se opri după terminarea uneia.
Ca rezultat, echipa a sintetizat 3,3-disubstituți oxindoli cu randamente ridicate. Acești compuși au un schelet inelar relevant pentru chimia medicinală și sunt utilizați în produse farmaceutice și substanțe bioactive. În mod notabil, substraturile care conțin brom au reacționat eficient chiar și la temperatura camerei. Echipa a reușit, de asemenea, să realizeze reacția cu substraturi ce au legături puternice carbon-clor, care nu se rup ușor. Aceasta a demonstrat că chiar și clorurile de alchil terțiar, care anterior erau dificil de manipulat, pot fi acum utilizate pentru a sintetiza o gamă de compuși oxindolici care erau greu de obținut anterior.
Un principiu catalitic mai larg
Descoperirea cheie a acestui studiu este că generarea bună de radicali nu este suficientă în sine. În loc să crească pur și simplu reactivitatea unei singure etape, echipa a arătat că echilibrarea întregului ciclu catalitic, incluzând atât generarea de radicali, cât și regenerarea catalizatorului, face posibilă proiectarea unor catalizatori mai eficienți și extinderea abordării la noi reacții. Acest principiu ar putea extinde gama de substraturi dificile disponibile pentru sinteza chimică. De asemenea, ar putea ajuta cercetătorii să dezvolte metode mai eficiente pentru construirea de molecule complexe relevante pentru produse farmaceutice și alte compuși bioactivi în condiții mai blânde.
Lee a declarat: „Acest studiu arată că generarea eficientă de radicali singură nu este suficientă și că diferitele procese din cadrul unui ciclu catalitic trebuie să se desfășoare în echilibru.” Ea a adăugat: „Ne așteptăm ca această abordare să poată fi aplicată la dezvoltarea de noi reacții catalitice bazate pe radicali care utilizează substraturi dificile, ce anterior erau greu de activat.”
