MIT-kemister har utarbetat en ny kemisk reaktion som tillåter dem att syntetisera en fosforinnehållande ring, med hjälp av en katalysator för att lägga till fosfor till enkla organiska föreningar som kallas alkener.

Deras reaktion, som ger en ring som innehåller två kolatomer och en fosforatom, kan utföras vid normal temperatur och tryck, och använder sig av en ny "fjäderbelastad" fosforhaltig molekyl som försörjer fosforatomen.

"Detta är ett sällsynt exempel på en upptäckt av en ny katalytisk reaktion, och det öppnar upp för en verklig mängd nya möjligheter att göra kemi som möjliggörs av en reaktion som aldrig existerat tidigare", säger Christopher Cummins, Henry Dreyfus professor i kemi vid MIT och studiens seniorförfattare.

Dessa fosforhaltiga ringar kan användas som katalysatorer för andra reaktioner, eller som prekursorer för användbara föreningar som läkemedel, säger Cummins.

MIT doktorand Martin-Louis Riu är huvudförfattare till artikeln, publicerad denna vecka i Journal of the American Chemical Society . Den tidigare MIT-forskaren Andre Eckhardt är också författare till studien.

Skapa en ring

Organiska föreningar som innehåller dubbelbindningar mellan kolatomer, även kända som olefiner eller alkener, är viktiga prekursorer i många industriellt användbara kemiska reaktioner. Genom att bryta dessa kol-kol-bindningar och lägga till nya atomer eller grupper av atomer kan forskare skapa en mängd olika nya produkter.

Som ett exempel har kemister tidigare utarbetat sätt att omvandla en kol-kol-dubbelbindning till en treledad ring genom att lägga till antingen en annan kolatom, en kväveatom eller en syreatom. Sådana föreningar kan hittas i plast, läkemedel, textilier och andra användbara produkter.

Men eftersom fosfor är tyngre än kol, kväve eller syre, har det varit svårt att hitta ett sätt att införliva det i olefiner utan att använda "brute force"-metoder som kräver hårda kemiska förhållanden. MIT-teamet ville komma på ett sätt att utföra denna reaktion under milda förhållanden, genom att använda en katalysator för att överföra en fosfinidengrupp – en fosforatom bunden till en organisk kemisk grupp – till olefinen.

För att uppnå det behövde de ett utgångsmaterial som kunde fungera som en källa till fosfiniden, men sådana föreningar fanns inte eftersom direkta analoger av de som används för lättare grundämnen som kol är instabila med fosfor.

I ett papper från 2019 utvecklade Cummins labb en möjlig källa, bestående av fosfiniden fäst vid en molekyl som innehåller flera kolväteringar. Med hjälp av denna förening kunde de syntetisera en treledad ring innehållande fosfor, men reaktionen krävde höga temperaturer och fungerade bara med vissa typer av olefiner.

I sin nya uppsats använde MIT-teamet en annan fosforkälla för reaktionen – en förening som Cummins labb syntetiserade först 2021. Denna molekyl är en tetraeder, en form som i sig har en stor energipåfrestning, mycket som en hoptryckt fjäder, på grund av de små bindningsvinklarna mellan de fyra atomerna som bildar tetraedern.

Denna förening, som kallas tri-tert-butylfosfatetrahedran, har tre hörn som består av kolatomer bundna till en kemisk grupp som kallas tert-butyl, och en vertex som består av en fosforatom med ett odelat par av elektroner. Under rätt förhållanden kan denna ansträngda molekyl brytas isär för att frigöra fosforatomen.

Effektiv syntes

Med hjälp av denna fjäderbelastade molekyl kunde forskarna använda en nickelinnehållande katalysator för att överföra fosfiniden till olefiner för att skapa treledade ringar. Denna reaktion kan utföras vid rumstemperatur, med högt utbyte av den önskade produkten.

"Alla stjärnorna är i linje här när det gäller att vi kan syntetisera en mycket ansträngd prekursor som leder till rumstemperaturreaktivitet och snabb katalys", säger Cummins.

Forskarna planerar nu att ytterligare undersöka mekanismen för hur denna reaktion sker, som de tror är beroende av att fosfiniden tillfälligt överförs till nickelkatalysatorkomplexet. Katalysatorn införlivar sedan fosforn i dubbelbindningen av olefinen.

De hoppas också att undersöka möjligheten att skapa en mängd nya föreningar som inkluderar den fosforhaltiga ringen, och att utveckla sätt att kontrollera vilken av två möjliga spegelbildsversioner som syntetiseras. När dessa fosforhaltiga ringar väl har bildats kan de öppnas upp genom att lägga till ytterligare molekyler för att skapa andra användbara föreningar. Potentiella tillämpningar för dessa typer av produkter inkluderar katalysatorer för andra reaktioner, eller komponenter av läkemedel som innehåller fosfor. + Utforska vidare

Kemister upptäcker ny reaktivitet hos ansträngda molekyler

Denna berättelse är återpublicerad med tillstånd av MIT News (web.mit.edu/newsoffice/), en populär webbplats som täcker nyheter om MIT-forskning, innovation och undervisning.