Al decenia, scheikundigen hebben ernaar gestreefd om zorgvuldig gecontroleerde chemie te doen op koolstof-waterstofbindingen. De uitdaging is duizelingwekkend. Het vereist de kracht van een miniatuur sloopkogel om deze extreem sterke banden te verbreken, gecombineerd met de finesse van een microscopisch pincet om specifieke C-H-bindingen te onderscheiden tussen de vele die zich op een molecuul bevinden.

Het journaal Natuur publiceerde een methode die beide factoren combineert om een ​​inerte C-H-binding reactief te maken, waardoor chemisch "afval" effectief wordt omgezet in "schat".

"We kunnen een goedkope en overvloedige koolwaterstof met beperkte bruikbaarheid veranderen in een waardevolle steiger voor het ontwikkelen van nieuwe verbindingen, zoals farmaceutische producten en andere fijnchemicaliën, " zegt JT Fu, een afgestudeerde student aan Emory University en eerste auteur van het papier.

De Natuur paper is de nieuwste in een serie van Emory University die het vermogen aantoont om een ​​dirhodiumkatalysator te gebruiken om C-H-bindingen op een gestroomlijnde manier selectief te functionaliseren, terwijl het ook vrijwel volledige controle behoudt over de driedimensionale vorm van de geproduceerde moleculen.

"Deze nieuwste katalysator is zo selectief dat het netjes voor slechts één C-H-binding gaat - ook al zijn er verschillende C-H-bindingen die er erg op lijken in het molecuul, " zegt Huw Davies, Emory hoogleraar organische chemie en senior auteur van het artikel. "Dat was een grote verrassing, ook voor ons."

Deze dirhodiumkatalysator werkt op een substraat van tert-butylcyclohexaan, een koolwaterstof - een van de eenvoudigste organische moleculen, die volledig uit C-H-bindingen bestaat.

"We kunnen niet alleen een totaal ongekende reactie geven, we kunnen het doen onder uiterst eenvoudige omstandigheden, " zegt Davies. "Tert-butylcyclohexaan is een klassieke organische structuur in de chemie. Dat helpt het mainstream-potentieel van CH-functionalisatie te valideren."

Davies is ook de oprichter en directeur van het National Science Foundation's Centre for Selective CH Functionalization, een consortium gevestigd in Emory en dat 15 grote onderzoeksuniversiteiten uit het hele land en industriële partners omvat.

De co-auteurs van de Natuur papier zijn Djamaladdin Musaev, directeur van Emory's Cherry L. Emerson Center for Scientific Computation; Zhi Ren, een postdoctoraal onderzoeker in het Davies-lab; en John Bacsa, facilitair directeur van Emory's Crystallography Lab.

Organische synthese richt zich traditioneel op het modificeren van reactieve, of functioneel, groepen in een molecuul. CH-functionalisatie overtreedt deze regel voor het maken van verbindingen:het omzeilt de reactieve groepen en doet synthese bij wat normaal als inerte koolstof-waterstofbindingen zou worden beschouwd, rijk aan organische verbindingen.

Het doel is om eenvoudige, overvloedige moleculen - in sommige gevallen zelfs chemische afvalstoffen - tot veel complexere, moleculen met toegevoegde waarde. Het functionaliseren van C-H-bindingen opent nieuwe chemische routes voor de synthese van fijnchemicaliën - routes die meer gestroomlijnd zijn, goedkoper en schoner.

organische synthese, bijvoorbeeld, omvat doorgaans het gebruik van veel reagentia, en kan giftige, anorganische bijproducten.

In tegenstelling tot, elke dirhodiumkatalysator die door het Davies-lab is ontwikkeld, gebruikt slechts één reagens en versnelt een reactie zonder dat deze wordt verbruikt in de reactie. Het grootste deel van de katalysator kan worden gerecycled en het enige bijproduct dat wordt gegenereerd, is stikstof, wat ongevaarlijk is.

Chemici die experimenteren met C-H-functionalisatie gebruiken vaak een sturende groep - een chemische entiteit die zich tot een katalysator combineert en vervolgens de katalysator naar een bepaalde C-H-binding leidt. Het proces werkt, maar het is omslachtig.

Het Davies-lab omzeilde de behoefte aan een regiegroep door katalysatoren te ontwikkelen die zijn ingekapseld in driedimensionale steigers. De komvormige steiger werkt als een slot en sleutel om alleen bepaalde C-H-bindingen in een verbinding de katalysator te laten naderen en de reactie te ondergaan.

"Elk van de katalysatoren is ongekend, het bereiken van een ander soort selectiviteit dan eerder is gezien, " zegt Davies. "We ontwikkelen een toolkit van nieuwe katalysatoren en reagentia die selectieve CH-functionalisering zullen doen op verschillende plaatsen op verschillende moleculen."

Naast het controleren van de locatieselectiviteit, de steiger van de dirhodiumkatalysatoren regelt de chiraliteit van de moleculen die in de reactie worden geproduceerd. chiraliteit, ook wel bekend als "handigheid, " verwijst naar een eigenschap van driedimensionale symmetrie. Net zoals de menselijke hand chiraal is, omdat de rechterhand een spiegelbeeld is van de linker, moleculen kunnen "rechtshandig" of "linkshandig" zijn.

De handigheid van een molecuul is belangrijk in de organische chemie, omdat deze 3D-vorm van invloed is op de interactie met moleculen met andere handen. Bij het ontwikkelen van een nieuw medicijn, bijvoorbeeld, het is van vitaal belang om de chiraliteit van de medicijnmoleculen te beheersen, omdat biologische moleculen het verschil herkennen.

De stroom Natuur paper beschrijft de vijfde belangrijke nieuwe katalysator voor CH-functionalisatie die het Davies-lab in de afgelopen twee jaar heeft ontwikkeld.

Als afgestudeerde student, Kuangbiao Liao (die sindsdien is gepromoveerd aan Emory en nu werkt voor het farmaceutische bedrijf AbbVie) was eerste auteur van twee artikelen die verschenen in Natuur en een andere uitgegeven door Natuurchemie voor katalysatoren ontwikkeld in 2016 en 2017. Afgestudeerde student Wenbin Liu leidde het werk aan een vierde katalysator die eerder dit jaar werd ontwikkeld, gepubliceerd door de Tijdschrift van de American Chemical Society .

"We hebben een voortreffelijke katalysatorcontrole bereikt die verder gaat dan wat mensen twee of drie jaar geleden voor mogelijk hadden gehouden, " zegt Davies. "Het is ongelooflijk wat mijn studenten hebben kunnen bereiken."

Het Davies-lab onderzoekt nu het toevoegen van elektronische effecten aan zijn dirhodiumkatalysatoren. "In plaats van alleen interactie met inerte vormen, we willen dat onze katalysatoren het vermogen hebben om verschillende moleculen elektronisch af te stoten of aan te trekken, Davies legt uit. "Dat zou onze methoden nog geavanceerder en subtieler kunnen maken dan wat we nu kunnen bereiken, het openen van extra nieuwe chemische routes."