Den mänskliga civilisationen under 2000 -talet upprätthålls till stor del av modern kemisk teknik. Råvarorna som används vid tillverkningen av ett brett utbud av produkter, från kläder till plast och läkemedel, produceras huvudsakligen genom effektiv katalytisk omvandling av billiga råvarukemikalier till förädlade organiska varor. I många fall, de kemiska reaktionerna som involverar organiska föreningar sker genom kortlivade reaktionsmellanprodukter, som karbokationer.

Karbokationer är kemiska arter som innehåller en positivt laddad kolatom. I allmänhet, dessa molekyler är mycket reaktiva mot många kemiska transformationer, och de förekommer ofta i många nyckelreaktioner som har revolutionerat syntetisk och fysisk organisk kemi. Carbocation -mellanproduktion är känt för att vara ansvarig för ett brett spektrum av grundläggande reaktioner, såsom substitution, eliminering, och omläggning. Användningen av dessa reaktioner har väsentligt utökat repertoaren för tillgängliga retrosyntetiska metoder i kemisk syntes. På grund av dess omfattande inflytande inom organisk kemi, Nobelpriset i kemi 1994 delades ut som ett erkännande av framstegen inom koloxidkemi.

Dock, karbokationens inneboende instabilitet blir ofta en stor flaskhals inom syntetisk kemi. Kolhydraterna är kortlivade mellanprodukter i de flesta reaktioner, och medan deras livstid kan variera beroende på typ av reaktion, det är vanligtvis inom en skala på några nanosekunder, som är miljarddels sekund, eller kortare. Därför, det är extremt utmanande att kontrollera sin reaktivitet eller utföra spektroskopisk observation. Av dessa anledningar, den katalytiska tillgängligheten för den karbokat-medierade reaktionen har till stor del varit begränsad, och det är också svårt att undertrycka den oönskade bildningen av andra sidoprodukter.

För att lösa detta problem, ett team av forskare under ledning av Prof.Chang Sukbok vid Center for Catalytic Hydrocarbon Functionalizations inom Institute for Basic Science (IBS, Sydkorea) har utvecklat en ny katalysator som kan komma åt transienta karbokatationsmellanprodukter för att uppnå regiokontrollerad elimineringsreaktion. Med denna nya katalysator, de har lyckats producera två typer av ringformade molekyler som kallas γ- och β-laktamer, som är mycket eftertraktade inom syntet, organisk, och farmaceutisk kemi.

Traditionella katalysatorer är mestadels begränsade till att generera karbokationsmellanprodukter och påverkar inte regionens selektivitet av reaktionen. Därför, det är ofta nödvändigt att lägga till kostsamma elimineringsvägar för att avlägsna oönskade produkter. IBS -forskare utmanade denna fråga genom att utveckla ett mångfacetterat katalytiskt system. År 2018, de utvecklade självständigt en ny iridiumkatalysator som omvandlar kolväten till mångsidiga y-laktamer, en teknisk bedrift som publicerades i Vetenskap . Denna katalysator återanvändes för att direkt delta i både generering och selektiv omvandling av karbokationsmellanprodukter. Nyckeln till framgång är att den skräddarsydda katalysatorn tillfälligt genererar Ir-nitrenoid-arter, vars elektrofilitet är tillräckligt hög för att komma åt karbokationsarter och infoga bindningar i kol-kol dubbelbindningar.

I den här studien, en kvantkemisimulering använde dioxazolon som modellunderlag för att analysera reaktionsmekanismen i detalj och hitta den optimala strukturen för potentiella katalysatorer. Enligt sådana datorförutsägelser, de identifierade att en ligand i katalysatorn kan spela en kritisk roll för en intern bas för att selektivt abstrahera en specifik proton mellan två konkurrerande platser i en karbokalisering. Genom ytterligare optimering, de skräddarsydda en ny högkvalitativ katalysator med oöverträffad selektivitet (> 95%) för de önskade allylamidprodukterna över enamider.

Denna skräddarsydda katalysator var lätt användbar för framställning av y-laktamer och en mer utmanande process för att producera ß-laktamer. γ-laktamer har erkänts som ett viktigt strukturellt motiv i både naturliga och syntetiska molekyler, som inkluderar ett antal läkemedel som används vid cancerterapi. Å andra sidan, β-laktam är en av de viktigaste klasserna av antibiotika och farmaceutiska produkter, såsom exemplifieras av penicillin G och dess derivat.

Förutom dess förmåga att kontrollera regioselektiviteten, användningen av den nya katalysatorn sträcker sig vidare till asymmetriska reaktioner. Katalysatorn lyckades också syntetisera kirala föreningar med utmärkt enantioselektivitet på upp till 98 %. Enantioselektiv syntes är extremt viktig inom läkemedelsindustrin, eftersom samma molekyl med olika kiralitet kan ha helt annan biologisk aktivitet. Till exempel, (R)-enantiomer av talidomid ger terapeutiska effekter, medan dess (S) -enantiomer orsakar fosterskador. Eftersom separationsprocessen är dyr, många läkemedel säljs som racemiska blandningar. Därför, det förväntas att denna teknik kommer att hitta utbredda tillämpningar inom farmaceutisk kemi för att syntetisera en bred klass av kliniska läkemedel samtidigt som deras biverkningar minimeras.

Professor Chang sa, "Forskningen initierades av Dr. HONG Seung Youn som kom med denna kreativa idé. Han ledde också aktivt den teoretiska undersökningen och experimenten av denna studie. Dessa fynd har inte bara gjort nya akademiska framsteg som öppnat en ny väg för att få tillgång till tillfällig kolsyra mellanprodukter, men kommer också att framkalla ytterligare utveckling med många spännande applikationer. "

Denna forskning publicerades i Naturkatalys den 21 december 2020.