Por décadas, os químicos aspiram a fazer uma química cuidadosamente controlada sobre as ligações carbono-hidrogênio. O desafio é impressionante. É necessário o poder de uma bola de demolição em miniatura para quebrar esses laços extremamente fortes, combinado com a sutileza de pinças microscópicas para destacar ligações C-H específicas entre as muitas aglomeradas em uma molécula.

O jornal Natureza publicou um método que combina esses dois fatores para tornar reativa uma ligação C-H inerte - transformando efetivamente "lixo" químico em "tesouro".

"Podemos transformar um hidrocarboneto barato e abundante com utilidade limitada em uma estrutura valiosa para o desenvolvimento de novos compostos - como produtos farmacêuticos e outros produtos químicos finos, "diz J.T. Fu, um estudante de graduação na Emory University e primeiro autor do artigo.

o Natureza paper é o mais recente de uma série da Emory University demonstrando a capacidade de usar um catalisador de diródio para funcionalizar seletivamente as ligações C-H de maneira simplificada, ao mesmo tempo que mantém o controle virtualmente total da forma tridimensional das moléculas produzidas.

"Este último catalisador é tão seletivo que funciona perfeitamente para apenas uma ligação C-H - embora existam várias ligações C-H muito semelhantes a ele dentro da molécula, "diz Huw Davies, Emory professor de química orgânica e autor sênior do artigo. "Foi uma grande surpresa, até mesmo para nós. "

Este catalisador de diródio funciona em um substrato de terc-butil ciclohexano, um hidrocarboneto - uma das mais simples moléculas orgânicas, consistindo inteiramente de ligações C-H.

"Não só podemos fazer uma reação totalmente sem precedentes, podemos fazer isso em condições extremamente simples, "Davies diz." O terc-butil ciclohexano é uma estrutura orgânica clássica em química. Isso ajuda a validar o potencial principal da funcionalização do C-H. "

Davies também é o diretor fundador do Centro de Funcionalização C-H seletiva da National Science Foundation, um consórcio baseado em Emory e englobando 15 importantes universidades de pesquisa de todo o país, bem como parceiros industriais.

Os co-autores do Natureza papel são Djamaladdin Musaev, diretor do Cherry L. Emerson Center for Scientific Computation da Emory; Zhi Ren, um pós-doutorado no laboratório de Davies; e John Bacsa, diretor de instalações do Laboratório de Cristalografia de Emory.

A síntese orgânica tradicionalmente se concentra na modificação reativa, ou funcional, grupos em uma molécula. A funcionalização do C-H quebra esta regra de como fazer compostos:ela ignora os grupos reativos e faz a síntese no que normalmente seriam consideradas ligações inertes de carbono-hidrogênio, abundante em compostos orgânicos.

O objetivo é transformar com eficiência o simples, moléculas abundantes - em alguns casos, até mesmo resíduos químicos - em muito mais complexas, moléculas de valor agregado. A funcionalização das ligações C-H abre novos caminhos químicos para a síntese de produtos químicos finos - caminhos que são mais simplificados, menos caro e mais limpo.

Síntese orgânica, por exemplo, normalmente envolve o uso de muitos reagentes, e pode produzir tóxicos, subprodutos inorgânicos.

Em contraste, cada catalisador dirhodium desenvolvido pelo laboratório de Davies usa apenas um único reagente e acelera uma reação sem ser usado na reação. A maior parte do catalisador pode ser reciclado e o único subproduto gerado é o nitrogênio, o que é inócuo.

Químicos que experimentam a funcionalização de C-H geralmente usam um grupo de direção - uma entidade química que se combina a um catalisador e, em seguida, direciona o catalisador a uma ligação C-H específica. O processo funciona, mas é complicado.

O laboratório de Davies contornou a necessidade de um grupo de direção desenvolvendo catalisadores envoltos em estruturas tridimensionais. O andaime em forma de tigela atua como uma fechadura e uma chave para permitir que apenas ligações C-H particulares em um composto se aproximem do catalisador e sofram a reação.

"Cada um dos catalisadores é sem precedentes, alcançando um tipo diferente de seletividade do que foi visto antes, "Davies diz." Estamos desenvolvendo um kit de ferramentas de novos catalisadores e reagentes que farão funcionalização seletiva de C-H em locais diferentes em moléculas diferentes. "

Além de controlar a seletividade do site, o andaime dos catalisadores de diródio controla a quiralidade das moléculas produzidas na reação. Quiralidade, também conhecido como "lateralidade, "refere-se a uma propriedade de simetria tridimensional. Assim como a mão humana é quiral, porque a mão direita é uma imagem espelhada da esquerda, as moléculas podem ser "destras" ou "canhotas".

A destreza de uma molécula é importante na química orgânica, uma vez que esta forma 3-D afeta como ele interage com outras moléculas manuais. Ao desenvolver um novo medicamento, por exemplo, é vital controlar a quiralidade das moléculas do medicamento porque as moléculas biológicas reconhecem a diferença.

O actual Natureza O artigo descreve o quinto novo e principal catalisador para a funcionalização do C-H que o laboratório Davies desenvolveu durante os últimos dois anos.

Como estudante de graduação, Kuangbiao Liao (que desde então recebeu seu Ph.D. da Emory e agora está trabalhando para a empresa farmacêutica AbbVie) foi o primeiro autor de dois artigos publicados em Natureza e outro publicado por Química da Natureza para catalisadores desenvolvidos em 2016 e 2017. O estudante de graduação Wenbin Liu liderou o trabalho em um quarto catalisador desenvolvido no início deste ano, publicado pela Jornal da American Chemical Society .

"Alcançamos um controle de catalisador requintado que está além do que as pessoas pensavam que seria possível até dois ou três anos atrás, "Davies diz." É incrível o que meus alunos foram capazes de alcançar. "

O laboratório de Davies agora está explorando a adição de efeitos eletrônicos a seus catalisadores de diródio. "Em vez de apenas interagir com formas inertes, queremos que nossos catalisadores tenham a capacidade de repelir eletronicamente ou atrair moléculas diferentes, "Davies explica." Isso poderia tornar nossos métodos ainda mais sofisticados e sutis do que podemos alcançar agora, abrindo novas vias químicas adicionais. "