Forskare från RUDN University har i samarbete med ryska och utländska kollegor studerat reduktiva amineringsreaktioner. De nya reaktionerna och katalytiska systemen baserade på dem har tillämpningar i organisk syntes, och skulle också kunna öka produktionen av medicinska substanser och jordbrukskemikalier i framtiden. Studien publicerades i Organisk och biomolekylär kemi .

Högpresterande atomeffektiva reaktioner är avgörande för hållbar utveckling i modern industri. Atomeffektiviteten för en reaktion innebär att idealt, alla atomer som kommer in i en kemisk reaktion måste lämna den som en del av den önskade produkten. Men världen är långt ifrån idealisk – antalet helt atomeffektiva reaktioner med 100 procents utbyte är mycket litet. Till exempel, i organisk syntes, komplexa borhydrider används ofta som reduktionsmedel. I praktiken, 1 kg av den önskade produkten i reaktionen ger jämförbara mängder fast avfall som kräver särskild omhändertagande.

I det här sammanhanget, väte verkar vara ett nästan perfekt reduktionsmedel som helt absorberas av reagensen. Dock, rent väte framställs av naturgas som ett resultat av en syntes i tre steg. Detta är en mycket energikrävande process som kräver höga temperaturer (upp till 800°C) och ytterligare katalysatorer. Forskarnas idé var att göra ett sådant ämne till ett reduktionsmedel som inte skulle kräva mycket energi för att produceras och som inte skulle skapa betydande avfall i mängder som är svåra att återvinna.

Därför, forskarna föreslog att man skulle använda kolmonoxid (CO) som ett reduktionsmedel i organisk syntes. Kolmonoxid kommer i enorma mängder under stålproduktion och är billigt.

"Just nu, kolmonoxid förbränns helt enkelt till koldioxid. Vi föreslår att man använder kolmonoxid för att utföra viktiga organiska syntesreaktioner, t.ex. att syntetisera aminer, som finns i ett betydande antal läkemedel, och andra värdefulla molekyler. Koldioxid produceras som en biprodukt, och branschen vet redan hur man använder det, " säger huvudförfattaren till studien, Dr Denis Chusov.

Den publicerade artikeln ägnas åt katalytisk reduktiv aminering med kolmonoxid som reduktionsmedel i närvaro av iridiumbaserade katalysatorer. Aminering, reaktionen att introducera en aminogrupp -NH ₂ (eller dess derivat -NHR eller -NR ₂ , där R är en organisk radikal) till organiska föreningar, används för att skapa molekyler med vissa egenskaper. Substituerade kolväten är föreningar som härrör från kolväten där en eller flera väteatomer är ersatta med atomer av andra grundämnen. Detta kräver metoder för att fästa grupper till kolskelettet i strikt definierade positioner.

Huvuddelen av studien publicerad i Organisk och biomolekylär kemi genomfördes av elever som inte hade någon erfarenhet alls. Forskare har visat att komplexa föreningar av iridium med jod och en organisk molekyl cyklopentadien är de mest katalytiskt aktiva (vilket uppträder i accelerationen av reaktionen). De avslöjade tidigare okända regelbundenheter under denna reaktion, vilket bidrar till dess djupare grundläggande förståelse och mer rimlig praktisk tillämpning.

"Den utvecklade reaktionen fortsätter vid ett tryck på 30 atmosfärer av kolmonoxid, som tillhandahålls genom att arbeta i autoklaver. Autoklaver kan tyckas vara svåra att implementera till en början, ändå, det finns många processer i branschen som kräver betydligt högre tryck, så det är inget extraordinärt. Dessutom, hydrering i laboratorier utförs också ofta i dem. Genom att variera katalysatorn, vi kan minska trycket till atmosfärstryck, men de forskare som har arbetat med autoklaver föredrar dem framför vanliga laboratorieglas. Autoklaver är svåra att bryta, lösningsmedlet kan inte koka ut, upparbetningen av reaktionsblandningen är enkel, " säger Denis Chusov.

Reaktionen katalyserad av iridium med jod och cyklopentadien visade sig vara tolerant mot ett brett spektrum av funktionella grupper, det är, att vara mycket selektiv. Många reagenser kan utföra den nödvändiga omvandlingen, men de förstör viktiga fragment av molekylen i processen, vilket innebär att de visar bristande tolerans. I sådana fall, man måste förlänga syntesen av den önskade molekylen, införa ytterligare skyddsgrupper, utföra reaktionen, och ta sedan bort skyddsgrupperna. Som ett resultat, produktionen av värdefulla molekyler blir mer arbetsintensiv, och kostnaden för slutprodukten och mängden avfall ökar. I framtiden, forskare planerar att fokusera på att använda kolmonoxid som ett reduktionsmedel i reduktiva amineringsreaktioner vid syntes av medicinska substanser och jordbrukskemikalier.

Forskare planerar att fortsätta forskningen i två riktningar. En av dem är att studera kolmonoxidens reducerande egenskaper för att upptäcka nya högaktiva katalytiska system. Förutom, användningen av kolmonoxid som reduktionsmedel förstärker nya upptäckter av reaktionerna som tidigare inte kunde genomföras på grund av bristen på tolerans mot funktionella grupper med de befintliga reduktionssystemen.