Durante décadas, los químicos han aspirado a realizar una química cuidadosamente controlada sobre los enlaces carbono-hidrógeno. El desafío es asombroso. Se requiere el poder de una bola de demolición en miniatura para romper estos enlaces extremadamente fuertes, combinado con la delicadeza de unas pinzas microscópicas para identificarenlaces CH específicos entre los muchos apiñados en una molécula.
La revista Naturaleza publicó un método que combina ambos factores para hacer reactivo un enlace CH inerte, convirtiendo efectivamente la "basura" química en "tesoro".
"Podemos cambiar un hidrocarburo barato y abundante con utilidad limitada en un valioso andamio para desarrollar nuevos compuestos, como productos farmacéuticos y otros productos químicos finos", dice JT Fu, estudiante graduado de la Universidad de Emory y primer autor del artículo.
El Naturaleza el artículo es el último de una serie de la Universidad de Emory que demuestra la capacidad de usar un catalizador de dirodio para funcionalizar selectivamente los enlaces CH de una manera simplificada, al tiempo que mantiene un control prácticamente total de la forma tridimensional de las moléculas producidas.
"Este último catalizador es tan selectivo que va limpiamente para un solo enlace CH, aunque hay varios enlaces CH muy similares dentro de la molécula", dice Huw Davies, profesor de química orgánica en Emory y autor principal de lapapel. "Eso fue una gran sorpresa, incluso para nosotros".
Este catalizador de dirodio funciona sobre un sustrato de terc-butil ciclohexano, un hidrocarburo, una de las moléculas orgánicas más simples, que consta completamente de enlaces CH.
"No solo podemos hacer una reacción sin precedentes, podemos hacerlo en condiciones extremadamente simples", dice Davies. "El terc-butil ciclohexano es una estructura orgánica clásica en química. Eso ayuda a validar el potencial principal de la funcionalización del CH".
Davies también es el director fundador del Centro de Funcionalización Selectiva de HC de la National Science Foundation, un consorcio con sede en Emory y que abarca 15 importantes universidades de investigación de todo el país, así como socios industriales.
Los coautores del Naturaleza los trabajos son Djamaladdin Musaev, director del Centro Cherry L.Emerson de Computación Científica de Emory; Zhi Ren, un becario postdoctoral en el laboratorio de Davies; y John Bacsa, director de instalaciones del Laboratorio de Cristalografía de Emory.
La síntesis orgánica tradicionalmente se enfoca en modificar grupos reactivos o funcionales en una molécula. La funcionalización del CH rompe esta regla sobre cómo hacer compuestos: evita los grupos reactivos y realiza síntesis en lo que normalmente se considerarían enlaces inertes carbono-hidrógeno, abundantescompuestos inorgánicos.
El objetivo es transformar de manera eficiente moléculas abundantes y simples, en algunos casos incluso materiales de desecho químicos, en moléculas mucho más complejas y de valor agregado. La funcionalización de los enlaces CH abre nuevas vías químicas para la síntesis de sustancias químicas finas, vías queson más ágiles, menos costosos y más limpios.
La síntesis orgánica, por ejemplo, generalmente implica el uso de muchos reactivos y puede producir subproductos inorgánicos tóxicos.
En contraste, cada catalizador de dirodio desarrollado por el laboratorio de Davies usa solo un reactivo y acelera una reacción sin que se agote en la reacción. La mayor parte del catalizador se puede reciclar y el único subproducto generado es el nitrógeno, que es inocuo.
Los químicos que experimentan con la funcionalización del CH a menudo usan un grupo director, una entidad química que se combina con un catalizador y luego dirige el catalizador a un enlace CH en particular. El proceso funciona, pero es engorroso.
El laboratorio de Davies pasó por alto la necesidad de un grupo director al desarrollar catalizadores encerrados dentro de andamios tridimensionales. El andamio en forma de cuenco actúa como un candado y una llave para permitir que solo los enlaces CH particulares en un compuesto se acerquen al catalizador y experimenten la reacción.
"Cada uno de los catalizadores no tiene precedentes, logrando un tipo de selectividad diferente al visto antes", dice Davies. "Estamos desarrollando un conjunto de herramientas de nuevos catalizadores y reactivos que realizarán la funcionalización selectiva de CH en diferentes sitios en diferentes moléculas. "
Además de controlar la selectividad del sitio, el andamio de los catalizadores de dirodio controla la quiralidad de las moléculas producidas en la reacción. La quiralidad, también conocida como "destreza manual", se refiere a una propiedad de simetría tridimensional. Al igual que la mano humanaes quiral, porque la mano derecha es una imagen especular de la izquierda, las moléculas pueden ser "diestras" o "zurdas".
La mano de una molécula es importante en la química orgánica, ya que esta forma tridimensional afecta la forma en que interactúa con otras moléculas de la mano. Al desarrollar un nuevo fármaco, por ejemplo, es vital controlar la quiralidad de las moléculas del fármaco debido amoléculas reconocen la diferencia.
La corriente Naturaleza el artículo describe el quinto catalizador importante para la funcionalización de CH que el laboratorio de Davies ha desarrollado durante los últimos dos años.
Como estudiante de posgrado, Kuangbiao Liao quien desde entonces recibió su doctorado en Emory y ahora trabaja para la compañía farmacéutica AbbVie fue el primer autor de dos artículos que aparecieron en Naturaleza y otro publicado por Química de la naturaleza para catalizadores desarrollados en 2016 y 2017. El estudiante de posgrado Wenbin Liu dirigió el trabajo sobre un cuarto catalizador desarrollado a principios de este año, publicado por el Journal of the American Chemical Society.
"Hemos logrado un control de catalizador exquisito que está más allá de lo que la gente pensaba que sería posible incluso hace dos o tres años", dice Davies. "Es increíble lo que mis estudiantes han podido lograr".
El laboratorio de Davies ahora está explorando la adición de efectos electrónicos a sus catalizadores de dirodio. "En lugar de simplemente interactuar con formas inertes, queremos que nuestros catalizadores tengan la capacidad de repeler o atraer electrónicamente diferentes moléculas", explica Davies. "Eso podría hacer que nuestrométodos aún más sofisticados y sutiles de lo que podemos lograr ahora, abriendo nuevas vías químicas adicionales ".
Fuente de la historia :
Materiales proporcionados por Ciencias de la salud de Emory . Nota: el contenido se puede editar por estilo y longitud.
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