Uma equipe de pesquisadores do Centro de Funcionalizações de Hidrocarbonetos Catalíticos, dentro do Institute for Basic Science (IBS, Coreia do Sul), desenvolveram uma nova estratégia para sintetizar moléculas cíclicas em forma de anel, muito procurado pelas indústrias farmacêutica e química, e conhecido como gama-lactamas. Este estudo descreve como esses anéis de cinco membros podem ser preparados a partir de hidrocarbonetos de matéria-prima baratos e prontamente disponíveis, bem como de moléculas orgânicas complexas, como aminoácidos e esteróides. Os gama-lactâmicos encontram várias aplicações na medicina, sintético, e química de materiais. Por exemplo, eles estão incluídos em um grande número de compostos farmaceuticamente ativos com antibióticos, anti-inflamatório, e funções antitumorais. Publicado em Ciência , esta pesquisa foi conduzida no Instituto Avançado de Ciência e Tecnologia da Coreia (KAIST).

A conversão de hidrocarbonetos em compostos contendo nitrogênio é uma importante área de pesquisa, onde o desafio está em quebrar ligações fortes de carbono-hidrogênio (C? H), e convertê-los em ligações carbono-nitrogênio (C-N) de maneira controlada. Por esta razão, hidrocarbonetos são difíceis de usar como materiais de partida, embora existam em grandes quantidades na natureza.

Nos últimos 35 anos, químicos encontraram maneiras de converter hidrocarbonetos simples em anéis contendo nitrogênio, tais como indóis ou pirrolidinas, mas os gama-lactamas provaram ser impossíveis de preparar usando as mesmas abordagens. Os pesquisadores do IBS levantaram a hipótese de que tal falha foi devido a caminhos químicos alternativos que desviam a reação dos anéis desejados:O intermediário da reação (carbonilnitreno) rapidamente se divide em produtos não procurados. Usando modelos de computador das vias de reação desejadas e indesejadas, a equipe encontrou uma estratégia para desligar completamente o último, a fim de obter os tão esperados gama-lactamas. Pela primeira vez, esses quatro carbonos e uma molécula cíclica de nitrogênio foram obtidos diretamente de matérias-primas químicas simples.

"Com este trabalho, oferecemos uma solução totalmente nova para um desafio de longa data e demonstramos o poder do que chamamos de desenvolvimento de reação baseado em mecanismo, "explica o professor BAIK Mu-Hyun, um autor correspondente do estudo.

Liderado pelo professor CHANG Sukbok, Os pesquisadores do IBS projetaram a reação vencedora com a ajuda de simulações de computador que analisam os mecanismos de reação e calculam a energia necessária para que a reação ocorra. De acordo com as previsões do computador, a reação pode seguir três caminhos, levando à formação da gama-lactama desejada, um produto indesejado (isocianato), ou a degradação do catalisador causada pela reação do substrato com a estrutura do catalisador. Combinando observações experimentais e simulações de computador detalhadas, a equipe projetou um catalisador à base de irídio, altamente seletivo para a formação de gama-lactama. Desta maneira, as duas vias indesejadas foram sistematicamente fechadas, deixando a formação do anel contendo nitrogênio como o único resultado possível.

Além de usar hidrocarbonetos baratos como substratos, a equipe também teve sucesso na conversão de aminoácidos, esteróides, e outras moléculas bio-relevantes em gama-lactamas, que pode encontrar uma variedade de aplicações como inseticida para plantas, drogas contra vermes parasitas, ou agentes anti-envelhecimento. Essa nova tecnologia sintética dá acesso muito mais fácil a essas moléculas complicadas e permitirá o desenvolvimento de drogas potenciais em um período de tempo muito mais curto e a um custo menor.

“Neste trabalho inovador, abandonamos a estratégia de aminação existente e abrimos a porta para uma maneira inteiramente nova de transformar C-H em ligações C-N. Nossa descoberta é um trabalho de mudança de paradigma e oferece uma nova base conceitual para muitos desenvolvimentos interessantes a seguir, "entusiasma-se o professor CHANG.

Os pesquisadores do IBS estão agora interessados ​​em desenvolver sistemas catalisadores mais baratos, e expandindo a gama de produtos, por exemplo, pela produção de anéis com quatro ou seis átomos (conhecidos como beta-lactama e delta-lactama, respectivamente). Finalmente, conforme explicado pelo primeiro autor do estudo, HONG Seung Youn, a equipe pretende passar das reações de aminação intramolecular para as intermoleculares:"O objetivo final seria alcançar a conversão direta de alcanos não ativados, como gases naturais como metano ou etano, em produtos químicos de valor agregado úteis via aminação C-H intermolecular. "