Een team van onderzoekers van het Center for Catalytic Hydrocarbon Functionalisaties, binnen het Instituut voor Basiswetenschappen (IBS, Zuid-Korea), hebben een nieuwe strategie ontworpen om ringvormige cyclische moleculen te synthetiseren, zeer gewild bij de farmaceutische en chemische industrie, en bekend als gamma-lactams. Deze studie beschrijft hoe deze vijfledige ringen kunnen worden bereid uit goedkope en gemakkelijk verkrijgbare grondstofkoolwaterstoffen, evenals uit complexe organische moleculen, zoals aminozuren en steroïden. Gamma-lactams vinden verschillende toepassingen in medicinale, synthetisch, en materiaalchemie. Bijvoorbeeld, ze zijn opgenomen in een groot aantal farmaceutisch actieve verbindingen met antibiotica, ontstekingsremmend, en anti-tumorfuncties. Gepubliceerd in Wetenschap , dit onderzoek werd uitgevoerd aan het Korea Advanced Institute of Science and Technology (KAIST).

De omzetting van koolwaterstoffen in stikstofhoudende verbindingen is een belangrijk onderzoeksgebied, waar de uitdaging ligt in het verbreken van sterke koolstof-waterstof (C?H) bindingen, en ze op een gecontroleerde manier om te zetten in koolstof-stikstof (C-N) bindingen. Om deze reden, koolwaterstoffen zijn moeilijk te gebruiken als uitgangsmaterialen, zij het dat ze in grote hoeveelheden in de natuur voorkomen.

In de afgelopen 35 jaar, chemici hebben manieren gevonden om eenvoudige koolwaterstoffen om te zetten in stikstofhoudende ringen, zoals indolen of pyrrolidines, maar gamma-lactams bleken onmogelijk te bereiden met dezelfde benaderingen. IBS-onderzoekers veronderstelden dat een dergelijk falen te wijten was aan alternatieve chemische routes die de reactie wegsturen van de gewenste ringen:het reactietussenproduct (carbonylnitreen) valt snel uiteen in ongezochte producten. Met behulp van computermodellen van de gewenste en ongewenste reactieroutes, het team vond een strategie om de laatste volledig uit te schakelen om de felbegeerde gamma-lactams te verkrijgen. Voor de eerste keer, deze vier koolstofatomen en één cyclische stikstofmolecule werden rechtstreeks verkregen uit eenvoudige grondstoffenchemicaliën.

"Met dit werk bieden we een gloednieuwe oplossing voor een al lang bestaande uitdaging en demonstreren we de kracht van wat we op mechanismen gebaseerde reactie-ontwikkeling noemen, " legt professor BAIK Mu-Hyun uit, een corresponderende auteur van de studie.

Onder leiding van professor CHANG Sukbok, IBS-onderzoekers ontwierpen de winnende reactie met behulp van computersimulaties die de reactiemechanismen analyseren en de energie berekenen die nodig is om de reactie te laten plaatsvinden. Volgens dergelijke computervoorspellingen, de reactie kan drie wegen volgen, leidend tot de vorming van ofwel het gewenste gamma-lactam, een ongewenst product (isocyanaat), of de afbraak van de katalysator veroorzaakt doordat het substraat reageert met de katalysatorruggengraat. Door experimentele observaties en gedetailleerde computersimulaties te combineren, het team ontwierp een op iridium gebaseerde katalysator, zeer selectief voor de vorming van gamma-lactam. Op deze manier, de twee ongewenste trajecten werden stelselmatig afgesloten, waardoor de vorming van de stikstofbevattende ring de enige mogelijke uitkomst is.

Naast het gebruik van goedkope koolwaterstoffen als grondstof, het team was ook succesvol in het omzetten van aminozuren, steroïden, en andere biorelevante moleculen tot gammalactams, die een verscheidenheid aan toepassingen kunnen vinden als insecticide voor planten, medicijnen tegen parasitaire wormen, of anti-verouderingsmiddelen. Deze nieuwe synthetische technologie geeft veel gemakkelijker toegang tot deze gecompliceerde moleculen en zal de ontwikkeling van potentiële medicijnen in veel kortere tijd tegen lagere kosten mogelijk maken.

"In dit baanbrekende werk, we stapten af ​​van de bestaande amineringsstrategie en openden de deur naar een geheel nieuwe manier om C-H in C-N-obligaties te veranderen. Onze ontdekking is een paradigma veranderend stuk werk en het biedt een nieuwe conceptuele basis voor vele opwindende ontwikkelingen die zullen volgen, ", zegt professor CHANG enthousiast.

IBS-onderzoekers zijn nu enthousiast over het ontwikkelen van goedkopere katalysatorsystemen, en het uitbreiden van het assortiment, bijvoorbeeld door ringen te produceren met vier of zes atomen (bekend als bèta-lactam en delta-lactam, respectievelijk). Eindelijk, zoals uitgelegd door de eerste auteur van de studie, HONG Seung Young, het team streeft ernaar om over te stappen van intramoleculaire amineringsreacties naar intermoleculaire:"Het uiteindelijke doel zou zijn om de directe omzetting van niet-geactiveerde alkanen te bereiken, zoals natuurlijke gassen zoals methaan of ethaangas, in bruikbare chemicaliën met toegevoegde waarde via intermoleculaire CH-aminering."