Atomekonomisk omvandling av bensyliska etrar till acetaler genom titanocen(III)-katalys i enelektronsteg (SET). Angewandte Chemie, DOI:10.1002/anie.202013561
Acetaler är viktiga kemiska föreningar som används, till exempel, vid framställning av vissa medicinska medel. En ny metod gör nu deras syntes enklare och mer miljövänlig. Kemister vid universitetet i Bonn har utvecklat och optimerat den hållbara katalytiska processen. Senaste datorsimuleringar användes också. Reaktionen är baserad på en mekanism som ofta förekommer i naturen, men har hittills sällan använts i kemisk syntes. Resultaten publiceras i tidskriften Angewandte Chemie .
Nyckelsteget i produktionen av acetaler är bindningen av två syreatomer till en kolatom. Kemister uppnår ofta detta arrangemang med oxidation. Starka oxidationsmedel används normalt för att åstadkomma detta genom att frigöra en syreatom under reaktionen. Resten av oxidationsmedlet måste kasseras efter syntesen.
"I vår studie, dock, vi beskriver en väg som kallas atom-ekonomisk, vilket innebär att det inte genererar avfall, " förklarar Prof. Dr. Andreas Gansäuer från Kekulé Institute of Organic Chemistry and Biochemistry vid universitetet i Bonn. "Startmolekylen i sig innehåller redan den syreatom som krävs för oxidation. Katalysen vi har utvecklat flyttar helt enkelt detta syre i molekylen, som skapar acetalen."
Startmolekylen innehåller en så kallad epoxigrupp, en sorts "triangel" där två hörn bildas av kolatomer och det tredje av en syreatom. Sådana trippelringar är under stor spänning och går därför lätt isär vid syreatomen. Epoxier lagrar den nödvändiga reaktionsenergin som en komprimerad fjäder.
Atom-ekonomisk omvandling av bensyliska etrar till acetaler genom titanocen(III)-katalys i enstaka elektronsteg beräknade på PW6B95-D4/def2-QZVP + COSMO-RS(THF)// PBEh-3c/DCOSMO-RS(THF) nivå. Värden inom parentes beräknas för katalysatorn Cp2TiCl. Angewandte Chemie, DOI:10.1002/anie.202013561
Katalys baserad på naturens modell
För att uppnå detta mål krävs en lämplig katalysator. Bildligt talat, syreatomer har två "armar" som de kan bilda bindningar med. Om epoxiringen går sönder, en av dessa armar blir fri. Katalysatorn binder nu tillfälligt till den. Detta initierar en sekvens av molekylinterna (intramolekylära) omarrangemang. I slutet av denna sekvens, syreatomen frigör katalysatorn igen och binder istället till det önskade kolet. "Detta steg kallas oxygenrebound, säger Gansäuer.
3D-strukturer av radikalerna IIa-cis (a, b) och IIa‐trans (e, f) och deras stabilisering genom gauche-interaktioner, med sidovy. De naturliga bindningsorbitaler (NBO)23 som visas erhålls från en PBEh‐3c+CPCM(THF)-beräkning. Dessutom Newman projektioner (c, g) och kil- och streckstrukturer (d, h) av dessa radikaler ges. De visar C−H-bindningsorbitalen som donerar till σ*‐orbitalen för C−O-bindningen, visualisera gauche-effekten. Endast en av två effektiva gauche-interaktioner visas. Isosytvärde=0,05 e−1/2 bohr−3/2. Angewandte Chemie, DOI:10.1002/anie.202013561
Denna mekanism har hittills sällan använts i kemiska synteser – helt till skillnad från i naturen:levern, till exempel, använder "syrerebound" för att bryta ner gifter. Detta kräver också katalysatorer, de så kallade P450-enzymerna. Deras aktiva centrum innehåller en järnatom. "Hjärtat i vår katalysator består också av en vanlig och giftfri metall, nämligen titan, " förklarar Prof. Dr. Stefan Grimme från Institutet för fysisk och teoretisk kemi vid universitetet i Bonn.
Energiprofil för omvandlingen av IIa‐cis och IIa‐trans till cis‐2 a och trans‐2 a. Alla Gibbs fria energier visas i kcal mol−1. Övergångstillståndsgeometrierna erhölls med PBEh-3c/COSMO(THF). Den katalytiska cykeln har undersökts på PW6B95-D4/def2-QZVP + COSMO-RS(THF)// PBEh-3c/ COSMO(THF) teorinivå. Angewandte Chemie, DOI:10.1002/anie.202013561
Katalysatorinställning på datorn
Under acetalsyntes, titan absorberar först en syreatom och frigör den sedan igen (oxidation följs av en så kallad reduktion). Detta fungerar bara effektivt om det binder syret tillräckligt starkt till sig själv utan att "klänga" för mycket. För att justera dess syreaffinitet på lämpligt sätt, titan är bundet till vissa molekyler, dess ligander. Beroende på bindande partner, metallen har då en något starkare oxiderande effekt eller kan lättare reduceras. De mest lämpliga "avstämningsmolekylerna" väljs numera ut med hjälp av en dator. Forskargruppen kring Prof. Grimme är specialiserad på denna uppgift:Under de senaste åren har det har utvecklat algoritmer som möjliggör mycket snabba simuleringar av katalysatoregenskaper.
Detta gjorde det möjligt för forskarna i sin studie att optimera sin katalysator så att den helt omvandlar utgångsmaterialet till den önskade acetalen. "Resultatet dokumenterar mycket bra hur användbart nära samarbete mellan experiment och teori är för att utveckla hållbara katalysmetoder, säger Gansäuer.
