Selektiv amideringsreaktion med nydesignade iridium (Ir) katalysatorer. Överflödig i naturen Kolväten används som substrat för att syntetisera kvävehaltig ring, kallas gamma-laktamer. Figur 2:Tre möjliga reaktionsvägar och energibarriärer som förutses av beräkningskemi. Forskarna utvecklade nya iridiumbaserade katalysatorer som är mycket selektiva för C-H-införingsvägen som leder till de önskade gamma-laktam-molekylerna. Kredit:Institute for Basic Science
Ett team av forskare vid Centrum för katalytiska kolvätefunktionaliseringar, inom Institutet för grundvetenskap (IBS, Sydkorea), har utformat en ny strategi för att syntetisera ringformade cykliska molekyler, mycket eftertraktad av läkemedels- och kemisk industri, och kallas gamma-laktamer. Denna studie beskriver hur dessa femledade ringar kan framställas av billiga och lättillgängliga råmaterialkolväten, liksom från komplexa organiska molekyler, såsom aminosyror och steroider. Gamma-laktamer hittar flera tillämpningar inom medicin, syntetisk, och materialkemi. Till exempel, de ingår i ett stort antal farmaceutiskt aktiva föreningar med antibiotika, antiinflammatorisk, och antitumörfunktioner. Publicerad i Vetenskap , denna forskning genomfördes vid Korea Advanced Institute of Science and Technology (KAIST).
Omvandling av kolväten till kvävehaltiga föreningar är ett viktigt forskningsområde, där utmaningen ligger i att bryta starka kol-väte (C? H) bindningar, och omvandla dem till kol-kväve (C-N) bindningar på ett kontrollerat sätt. Av denna anledning, kolväten är svåra att använda som utgångsmaterial, om än det faktum att de finns i stora mängder i naturen.
Under de senaste 35 åren har kemister har hittat sätt att omvandla enkla kolväten till kvävehaltiga ringar, såsom indoler eller pyrrolidiner, men gammalaktamer visade sig vara omöjliga att förbereda med samma metoder. IBS-forskare antog att ett sådant misslyckande berodde på alternativa kemiska vägar som styr reaktionen bort från de önskade ringarna:Reaktionsintermediären (karbonylnitren) bryts snabbt ner till osökta produkter. Använda datormodeller av önskade och oönskade reaktionsvägar, laget hittade en strategi för att helt stänga av det senare för att få de efterlängtade gammalaktamerna. För första gången, dessa fyra kol och en kväve cykliska molekyler erhölls direkt från enkla råmaterialkemikalier.
"Med detta arbete erbjuder vi en helt ny lösning på en mångårig utmaning och visar kraften i det vi kallar mekanismbaserad reaktionsutveckling, "förklarar professor BAIK Mu-Hyun, motsvarande författare till studien.
Intressanta gammalaktamer härledda från naturliga och onaturliga aminosyror, steroider, etc., som kan användas för att skydda växter mot insekter, bekämpa parasitiska maskar, eller som medel mot åldrande. Kredit:Institute for Basic Science (IBS)
Leds av professor CHANG Sukbok, IBS-forskare utformade den vinnande reaktionen med hjälp av datorsimuleringar som analyserar reaktionsmekanismerna och beräknar energin som krävs för att reaktionen ska kunna ske. Enligt sådana datorprognoser, reaktionen kan följa tre vägar, vilket leder till bildandet av antingen den önskade gamma-laktam, en oönskad produkt (isocyanat), eller nedbrytningen av katalysatorn orsakad av att substratet reagerar med katalysatorns huvudkedja. Kombinera experimentella observationer och detaljerade datasimuleringar, teamet designade en iridiumbaserad katalysator, mycket selektiv för gamma-laktambildning. På det här sättet, de två oönskade vägarna stängdes systematiskt av, lämnar bildandet av den kvävehaltiga ringen som det enda möjliga resultatet.
Utöver att använda billiga råvarukolväten som substrat, teamet var också framgångsrikt med att omvandla aminosyror, steroider, och andra biorelevanta molekyler till gamma-laktamer, som kan hitta en mängd olika tillämpningar som växtinsekticid, läkemedel mot parasitmaskar, eller anti-aging medel. Denna nya syntetiska teknik ger mycket lättare tillgång till dessa komplicerade molekyler och möjliggör utveckling av potentiella läkemedel på mycket kortare tid till en lägre kostnad.
"I detta banbrytande arbete, vi gick bort från den befintliga amineringsstrategin och öppnade dörren till ett helt nytt sätt att förvandla C-H till C-N-obligationer. Vår upptäckt är ett paradigmföränderligt arbete och den erbjuder en ny konceptuell grund för många spännande utvecklingar att följa, " entusiasmerar professor CHANG.
IBS-forskare är nu angelägna om att utveckla billigare katalysatorsystem, och utöka sortimentet av produkter, till exempel genom att producera ringar med fyra eller sex atomer (känd som beta-laktam och delta-laktam, respektive). Till sist, som förklaras av den första författaren till studien, HONG Seung Youn, teamet strävar efter att gå upp från intramolekylära amineringsreaktioner till intermolekylära:"Det slutliga målet skulle vara att uppnå direkt omvandling av oaktiverade alkaner, såsom naturgaser som metan eller etangas, till användbara mervärdeskemikalier via intermolekylär C-H-aminering. "
