Os químicos do MIT desenvolveram uma nova reação química que lhes permite sintetizar um anel contendo fósforo, usando um catalisador para adicionar fósforo a compostos orgânicos simples chamados alcenos.
Sua reação, que produz um anel contendo dois átomos de carbono e um átomo de fósforo, pode ser realizada em temperatura e pressão normais, e faz uso de uma nova molécula contendo fósforo "carregada por mola" que fornece o átomo de fósforo.

“Este é um exemplo raro de descoberta de uma nova reação catalítica e abre uma verdadeira riqueza de novas oportunidades para fazer química possibilitada por uma reação que nunca existiu antes”, diz Christopher Cummins, professor de química Henry Dreyfus no MIT. e o autor sênior do estudo.

Esses anéis contendo fósforo podem ser usados ​​como catalisadores para outras reações ou como precursores de compostos úteis, como produtos farmacêuticos, diz Cummins.

O estudante de pós-graduação do MIT Martin-Louis Riu é o principal autor do artigo, publicado esta semana no Journal of the American Chemical Society . O ex-bolsista de pesquisa do MIT Andre Eckhardt também é um dos autores do estudo.

Criando um anel

Compostos orgânicos que contêm ligações duplas entre átomos de carbono, também conhecidos como olefinas ou alcenos, são precursores importantes em muitas reações químicas industrialmente úteis. Ao quebrar essas ligações carbono-carbono e adicionar novos átomos ou grupos de átomos, os pesquisadores podem criar uma grande variedade de novos produtos.

Como um exemplo, os químicos já inventaram maneiras de converter uma ligação dupla carbono-carbono em um anel de três membros adicionando outro átomo de carbono, um átomo de nitrogênio ou um átomo de oxigênio. Tais compostos podem ser encontrados em plásticos, produtos farmacêuticos, têxteis e outros produtos úteis.

No entanto, como o fósforo é mais pesado que carbono, nitrogênio ou oxigênio, tem sido difícil encontrar uma maneira de incorporá-lo em olefinas sem usar métodos de "força bruta" que exigem condições químicas severas. A equipe do MIT queria encontrar uma maneira de realizar essa reação em condições brandas, usando um catalisador para transferir um grupo fosfinideno – um átomo de fósforo ligado a um grupo químico orgânico – para a olefina.

Para isso, eles precisavam de um material de partida que pudesse atuar como fonte de fosfinideno, mas tais compostos não existiam porque análogos diretos daqueles usados ​​para elementos mais leves, como o carbono, são instáveis ​​com o fósforo.

Em um artigo de 2019, o laboratório de Cummins desenvolveu uma possível fonte, consistindo em fosfinideno ligado a uma molécula que contém vários anéis de hidrocarbonetos. Usando esse composto, eles conseguiram sintetizar um anel de três membros contendo fósforo, mas a reação exigia altas temperaturas e só funcionava com certos tipos de olefinas.

Em seu novo artigo, a equipe do MIT usou uma fonte diferente de fósforo para a reação – um composto que o laboratório de Cummins sintetizou pela primeira vez em 2021. Essa molécula é um tetraedro, uma forma que inerentemente tem uma grande quantidade de energia como uma mola comprimida, por causa dos pequenos ângulos de ligação entre os quatro átomos que formam o tetraedro.

Este composto, chamado tri-terc-butilfosfatotraedrano, tem três vértices consistindo de átomos de carbono ligados a um grupo químico chamado terc-butil, e um vértice consistindo de um átomo de fósforo com um par de elétrons não compartilhado. Sob as condições certas, essa molécula tensa pode ser quebrada para liberar o átomo de fósforo.

Síntese eficiente

Usando esta molécula carregada por mola, os pesquisadores foram capazes de usar um catalisador contendo níquel para transferir fosfinideno para olefinas para criar anéis de três membros. Essa reação pode ser feita à temperatura ambiente, com alto rendimento do produto desejado.

“Todas as estrelas se alinharam aqui em termos de sermos capazes de sintetizar um precursor altamente tenso que leva à reatividade à temperatura ambiente e à rápida catálise”, diz Cummins.

Os pesquisadores agora planejam investigar melhor o mecanismo de como essa reação ocorre, que eles acreditam ser dependente da transferência temporária de fosfinideno para o complexo de catalisador de níquel. O catalisador então incorpora o fósforo na ligação dupla da olefina.

Eles também esperam explorar a possibilidade de criar uma variedade de novos compostos que incluam o anel contendo fósforo e desenvolver maneiras de controlar quais das duas versões possíveis de imagens espelhadas são sintetizadas. Uma vez que esses anéis contendo fósforo são formados, eles podem ser abertos adicionando moléculas adicionais para criar outros compostos úteis. As aplicações potenciais para esses tipos de produtos incluem catalisadores para outras reações ou componentes de produtos farmacêuticos que contêm fósforo. + Explorar mais

Químicos descobrem nova reatividade de moléculas tensas

Esta história foi republicada como cortesia do MIT News (web.mit.edu/newsoffice/), um site popular que cobre notícias sobre pesquisa, inovação e ensino do MIT.