Por décadas, los químicos han aspirado a realizar una química cuidadosamente controlada sobre los enlaces carbono-hidrógeno. El desafío es asombroso. Requiere el poder de una bola de demolición en miniatura para romper estos lazos extremadamente fuertes, combinado con la delicadeza de pinzas microscópicas para distinguir enlaces C-H específicos entre los muchos apiñados en una molécula.

El periódico Naturaleza publicó un método que combina ambos factores para hacer reactivo un enlace C-H inerte, convirtiendo efectivamente la "basura" química en "tesoro".

"Podemos convertir un hidrocarburo barato y abundante con una utilidad limitada en un valioso andamio para desarrollar nuevos compuestos, como productos farmacéuticos y otros productos químicos finos, "dice J.T. Fu, estudiante de posgrado en la Universidad de Emory y primer autor del artículo.

los Naturaleza El papel 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 C-H de una manera simplificada. al mismo 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 C-H, aunque hay varios enlaces C-H muy similares dentro de la molécula, "dice Huw Davies, Profesor Emory de química orgánica y autor principal del artículo. "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 consiste enteramente en enlaces C-H.

"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 C-H ".

Davies también es el director fundador del Centro de Funcionalización Selectiva C-H de la National Science Foundation, un consorcio con sede en Emory y que incluye a 15 importantes universidades de investigación de todo el país, así como socios industriales.

Los coautores de la Naturaleza papel son Djamaladdin Musaev, director del Centro Cherry L. Emerson de Computación Científica de Emory; Zhi Ren, becario postdoctoral en el laboratorio Davies; y John Bacsa, director de instalaciones del Laboratorio de Cristalografía de Emory.

La síntesis orgánica se centra tradicionalmente en modificar reactivos, o funcional, grupos en una molécula. La funcionalización C-H rompe esta regla sobre cómo hacer compuestos:evita los grupos reactivos y realiza síntesis en lo que normalmente se considerarían enlaces carbono-hidrógeno inertes, abundante en compuestos orgánicos.

El objetivo es transformar de manera eficiente simples, moléculas abundantes, en algunos casos incluso materiales de desecho químicos, en mucho más complejos, moléculas de valor agregado. La funcionalización de los enlaces C-H abre nuevas vías químicas para la síntesis de sustancias químicas finas, vías que están más simplificadas, menos costoso y más limpio.

Síntesis orgánica, por ejemplo, normalmente implica el uso de muchos reactivos, y puede producir tóxicos, subproductos inorgánicos.

A diferencia de, cada catalizador de dirodio desarrollado por el laboratorio de Davies utiliza un solo 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 C-H a menudo usan un grupo director, una entidad química que se combina con un catalizador y luego dirige el catalizador a un enlace C-H 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 una cerradura y una llave para permitir que solo los enlaces C-H particulares en un compuesto se acerquen al catalizador y experimenten la reacción.

"Cada uno de los catalizadores no tiene precedentes, lograr un tipo de selectividad diferente a la que se ha visto antes, "Dice Davies." Estamos desarrollando un conjunto de herramientas de nuevos catalizadores y reactivos que realizarán una funcionalización selectiva de C-H 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. Quiralidad, también conocido como "lateralidad, "se refiere a una propiedad de simetría tridimensional. Así como la mano humana es quiral, porque la mano derecha es un espejo 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 mano. Al desarrollar un nuevo fármaco, por ejemplo, Es vital controlar la quiralidad de las moléculas del fármaco porque las moléculas biológicas reconocen la diferencia.

La corriente Naturaleza El artículo describe el quinto catalizador nuevo importante para la funcionalización de C-H que el laboratorio de Davies ha desarrollado durante los últimos dos años.

Como estudiante de posgrado, Kuangbiao Liao (quien desde entonces recibió su doctorado de 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 Revista de la Sociedad Química Estadounidense .

"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 alumnos han logrado ".

El laboratorio de Davies ahora está explorando la posibilidad de agregar 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, "Davies explica." Eso podría hacer que nuestros métodos sean aún más sofisticados y sutiles de lo que podemos lograr ahora, abriendo nuevas vías químicas adicionales ".