I årtionden, kemister har strävat efter att göra noggrant kontrollerad kemi på kol-vätebindningar. Utmaningen är svindlande. Det kräver kraften hos en miniatyrförstörande boll för att bryta dessa extremt starka bindningar, kombinerat med finess av mikroskopiska pincett för att särskilja specifika CH-bindningar bland de många trångt på en molekyl.

Journalen Natur publicerade en metod som kombinerar båda dessa faktorer för att göra en inert C-H-bindning reaktiv-effektivt att göra kemiskt "skräp" till "skatt".

"Vi kan byta ut ett billigt och rikligt kolväte med begränsad användbarhet till en värdefull byggnadsställning för utveckling av nya föreningar - som läkemedel och andra finkemikalier, "säger J.T. Fu, en doktorand vid Emory University och första författare till uppsatsen.

De Natur papper är det senaste i en serie från Emory University som visar förmågan att använda en dirhodiumkatalysator för att selektivt funktionalisera CH-bindningar på ett strömlinjeformat sätt, samtidigt som man behåller praktiskt taget full kontroll över den tredimensionella formen hos de producerade molekylerna.

"Den här senaste katalysatorn är så selektiv att den går rent för bara en C-H-bindning-även om det finns flera C-H-bindningar som liknar den mycket mycket inom molekylen, "säger Huw Davies, Emory professor i organisk kemi och seniorförfattare till tidningen. "Det var en stor överraskning, även för oss. "

Denna dirhodiumkatalysator fungerar på ett substrat av tert-butylcyklohexan, ett kolväte - en av de enklaste av organiska molekyler, som helt består av CH-bindningar.

"Vi kan inte bara göra en helt oöverträffad reaktion, vi kan göra det under extremt enkla förhållanden, "Säger Davies." Tert-butylcyklohexan är en klassisk organisk struktur inom kemi. Det hjälper till att validera den vanliga potentialen för CH-funktionalisering. "

Davies är också grundande chef för National Science Foundation's Center for Selective C-H Functionalization, ett konsortium baserat på Emory och omfattar 15 stora forskningsuniversitet från hela landet samt industriella partners.

Medförfattarna till Natur papper är Djamaladdin Musaev, chef för Emory's Cherry L. Emerson Center for Scientific Computation; Zhi Ren, en postdoktor i Davies lab; och John Bacsa, anläggningsdirektör för Emory's Crystallography Lab.

Organisk syntes fokuserar traditionellt på att modifiera reaktiva, eller funktionell, grupper i en molekyl. CH-funktionalisering bryter mot denna regel för hur man gör föreningar:Den kringgår de reaktiva grupperna och gör syntes vid vad som normalt skulle anses vara inerta kol-vätebindningar, rik på organiska föreningar.

Syftet är att effektivt omvandla enkla, rikliga molekyler - i vissa fall även kemiska avfallsmaterial - till mycket mer komplexa, värdeskapande molekyler. Funktionaliserande CH-bindningar öppnar nya kemiska vägar för syntesen av finkemikalier-vägar som är mer strömlinjeformade, billigare och renare.

Organisk syntes, till exempel, vanligtvis innebär användning av många reagenser, och kan producera giftiga, oorganiska biprodukter.

I kontrast, varje dirhodium -katalysator som utvecklats av Davies -labbet använder endast ett enda reagens och påskyndar en reaktion utan att bli förbrukad i reaktionen. Det mesta av katalysatorn kan återvinnas och den enda biprodukten som genereras är kväve, vilket är oskyldigt.

Kemister som experimenterar med CH-funktionalisering använder ofta en styrgrupp-en kemisk enhet som kombineras till en katalysator och sedan riktar katalysatorn till en viss CH-bindning. Processen fungerar, men det är krångligt.

Davies-laboratoriet kringgick behovet av en styrgrupp genom att utveckla katalysatorer inneslutna i tredimensionella byggnadsställningar. Den skålformade ställningen fungerar som ett lås och en nyckel för att endast tillåta vissa CH-bindningar i en förening att närma sig katalysatorn och genomgå reaktionen.

"Var och en av katalysatorerna är utan motstycke, uppnå en annan typ av selektivitet än vad som har setts tidigare, "Davies säger." Vi utvecklar en verktygssats för nya katalysatorer och reagenser som gör selektiv C-H-funktionalisering på olika platser på olika molekyler. "

Förutom att kontrollera webbplatsens selektivitet, ställningen för dirhodiumkatalysatorerna styr kiraliteten hos molekylerna som produceras i reaktionen. Kiralitet, även känd som "handness, "hänvisar till en egenskap av tredimensionell symmetri. Precis som den mänskliga handen är kiral, eftersom höger hand är en spegelbild av vänster, molekyler kan vara "högerhänt" eller "vänsterhänt".

En molekyls skicklighet är viktig inom organisk kemi, eftersom denna 3D-form påverkar hur den interagerar med andra överlämnade molekyler. När man utvecklar ett nytt läkemedel, till exempel, Det är viktigt att kontrollera läkemedelsmolekylernas kiralitet eftersom biologiska molekyler känner igen skillnaden.

Nuvarande Natur papper beskriver den femte stora nya katalysatorn för CH-funktionalisering som Davies lab har utvecklat under de senaste två åren.

Som doktorand, Kuangbiao Liao (som sedan har fått sin doktorsexamen från Emory och nu arbetar för läkemedelsföretaget AbbVie) var första författare till två papper som dök upp i Natur och en annan publicerad av Naturkemi för katalysatorer utvecklade 2016 och 2017. Doktorand Wenbin Liu ledde arbetet med en fjärde katalysator som utvecklats tidigare i år, publicerad av Journal of the American Chemical Society .

"Vi har uppnått utsökt katalysatorkontroll som är bortom vad folk trodde skulle vara möjligt för två eller tre år sedan, "Säger Davies." Det är otroligt vad mina elever har kunnat uppnå. "

Davies -labbet undersöker nu att lägga till elektroniska effekter till sina dirhodiumkatalysatorer. "Istället för att bara interagera med inerta former, vi vill att våra katalysatorer ska ha förmågan att elektroniskt stöta bort eller attrahera olika molekyler, "Förklarar Davies." Det kan göra våra metoder ännu mer sofistikerade och subtila än vad vi kan uppnå nu, öppnar ytterligare nya kemiska vägar. "