I sökandet efter billigare, grönare alternativ till rutinmässigt använda ädelmetallkatalysatorer som palladium, har nickel blivit ett alltmer populärt val under de senaste två decennierna för organiska kemister som sätter samman fragment av molekyler för en mängd olika kemiska tillämpningar, särskilt transformationer som kallas korskopplingsreaktioner .
Det visar sig att nickelkatalysatorer är mycket bra på att sätta ihop de kol-kolbindningar som bildar de grundläggande byggstenarna för komplexa molekyler i organisk kemi – särskilt C-C-bindningar mellan alkylgrupper.
"Det är ett hett område i samband med organisk metodologi", säger Liviu M. Mirica, professor i kemi vid University of Illinois Urbana-Champaign, vars forskargrupp under det senaste decenniet har studerat nickelkatalyserade reaktioner.
Trots den ökande populariteten förstår forskarna inte helt mekanismerna för nickelkatalyserade reaktioner, särskilt korskopplingsreaktioner, och en mer grundläggande förståelse för hur de fungerar skulle kunna göra dem mer användbara och effektiva.
Forskare i Mirica-labbet har utvecklat förmågan att "se" varje enskilt steg i den nickelkatalyserade reaktionen och rollerna för varje deltagare i handling, som en slow-motion-repris.
Som forskarna förklarar i en nyligen publicerad artikel i tidskriften Chem , deras arbete har avslöjat otvetydiga bevis på hur nickelkatalyserade reaktioner fungerar, men deras forskning har också avslöjat en oväntad aktör i handlingen. Lösningsmedlet, acetonitril, ökade mängden produkt som genererades av reaktionerna i deras studie.
"Vi dissekerar på en mycket fin nivå varje enskilt steg i denna katalytiska cykel, vilket gjorde att vi kunde se denna fördelaktiga roll av acetonitril, som inte har observerats tidigare", säger Mirica, vars forskargrupp - tidigare doktorand Dr Leonel Griego och nuvarande doktorand Ju Byeong Chae, medförfattare till detta arbete – dissekerade den katalytiska cykeln genom mekanistiska studier som involverade EPR-spektroskopi, elektrokemiska metoder och studier av radikala fällor.
"Det gör att vi också kan hitta fördelaktiga tillsatser eller avslöja roller som inte observerades tidigare och det är precis vad som hände med detta lösningsmedel, acetonitril, som inte är ett lösningsmedel som vanligtvis används av organiska kemister i den här typen av korskopplingsreaktioner."
Enligt forskargruppen bildar acetonitril och ligandsystemet de skapade i sitt labb en perfekt balanserad kombination och uppvisar "en magisk effekt" som kan användas av organiska kemister för att gynna ett brett spektrum av nickelmedierade organometalliska transformationer.
Deras mekanistiska studie visar att acetonitril inte bara stabiliserar nickel i olika steg av reaktionen, utan den stabiliserar det i precis rätt mängd, samtidigt som det faktiskt främjar nyckelsteget i den katalytiska reaktionen som kallas reduktiv eliminering.
"Så, acetonitril är Goldilocks lösningsmedlet i det systemet som stabiliserar precis rätt mängd men också främjar rätt typ av reaktion," sa Mirica.
Vid varje steg av en nickelmedierad katalytisk reaktion finns det reaktiva mellanprodukter där nickel antar olika oxidationstillstånd. Mirica-gruppen har utvecklat förmågan att tillverka speciella typer av ligander, som är molekyler som binder till en central metallatom och möjliggör finjustering av nickelintermediärernas stabilitet, vilket är avgörande för att studera användbara katalytiska reaktioner. Inom syntetisk kemi betyder mer stabil vanligtvis mindre reaktiv, så det finns en balans mellan de två som är viktig för en reaktion.
Där Mirica och hans forskargrupp har fokuserat senast – och den här artikeln är ett bra exempel – är att utveckla ligandsystem som gör mellanprodukterna något mer stabila, vilket gör det möjligt för forskare att studera mekaniken i detalj, men de har också gjort mellanprodukterna katalytiskt aktiva, vilket gör dem användbara för kemi.
"Så, det här är den riktiga sweet spot", sa Mirica och syftade på deras "bulkiga" ligand och acetonitril som skapar ett Goldilocks-system som är "precis rätt."
Liganden, sa han, är precis tillräckligt skrymmande för att skydda nickelcentrum från andra sidoreaktioner, men inte för skrymmande för att förbjuda bindningen av de två molekylära fragmenten du vill sy ihop. Och acetonitrillösningsmedlet hjälper ytterligare till att stödja de reaktiva mellanprodukterna som varken är för stabila eller för reaktiva.
"Det är en mycket fin balans mellan att stabilisera mellanprodukter men också att främja reaktiviteten men bara främja den önskade reaktiviteten," sa Mirica. "Så, det är inte bara liganden utan lösningsmedelsblandningen och de rätta reaktionsförhållandena som gör att vi faktiskt kan förbättra utbytet."
Chae sa att de också upptäckte att det finns en kemisk jämvikt på jobbet. Produktutbytet beror på mängden acetonitril. Chae förklarade att tidigare studier av acetonitril-nickel teoretiserat att lösningsmedlet endast spelade in i en del av cykeln.
"Vad vi hittade här är att acetonitril är involverat i alla katalytiska intermediärer. Det är det som skiljer sig från de tidigare studierna. När vi väl tagit reda på mekanismen och rollen av acetonitril har vi kunnat förbättra den katalytiska produktbildningen på ett logiskt sätt ," han sa. "Så jag tror att det är det fina med vår studie."
Mirica sa att Chae nu utforskar ett bredare utbud av substrat och ett bredare utbud av ligander för att förbättra deras "Goldilocks"-system och för att se vilka andra transformationer som kan vara möjliga.
"Det långsiktiga målet som organisk metod fokuserar på är att utveckla enklare sätt, mer strömlinjeformade metoder, för att bygga mer komplexa molekyler och sätta ihop fragment för att bygga den komplexiteten. Så du kan göra mer användbara läkemedel, eller mer komplexa molekyler för materialvetenskapliga tillämpningar [Nickelförmedlad katalys] är ett mycket grundläggande sätt att sätta samman molekyler, säger Mirica.
Mer information: Leonel Griego et al, En skrymmande 1,4,7-triazacyklononan och acetonitril, ett Goldilocks-system för att undersöka rollen som Ni III och Ni I centrerar i korskopplingskatalys, Chem (2023). DOI:10.1016/j.chempr.2023.11.008
Journalinformation: Chem
Tillhandahålls av University of Illinois i Urbana-Champaign
