No Instituto Leibniz de Catálise em Rostock, o Dr. Johannes Fessler desenvolveu novos métodos para a síntese de precursores de drogas usando catalisadores feitos de ferro, manganês e cobalto. Cada um desses três elementos químicos tem o potencial de substituir vários metais nobres que são comumente usados ​​na química orgânica para catalisar produtos químicos finos.



A platina e o paládio, por exemplo, são caros devido à sua ocorrência rara, a sua extracção é dispendiosa e libertam grandes quantidades do gás com efeito de estufa CO₂ . Um dos objetivos da química "verde" é, portanto, dispensar tais metais nobres na catálise organometálica no futuro.

Johannes Fessler obteve suas descobertas como parte de sua dissertação, que defendeu em janeiro. Ele relatou isso em Chemical Science , juntamente com seu orientador de doutorado, Prof Dr. Matthias Beller, e sua líder de grupo de pesquisa, Dra. Por exemplo, você pode ler como um candidato a ingrediente ativo complexo baseado em pirrol, um precursor comum de medicamento, é criado a partir de "materiais de partida simples" com a ajuda de um catalisador de ferro homogêneo tolerante a ácidos e à temperatura ambiente.

Catálise "homogênea" significa que os materiais de partida, o catalisador, o solvente e, finalmente, o produto e o subproduto são dissolvidos em um único recipiente de reação. Eles devem, portanto, ser separados após cada etapa de reação, purificados e preparados para a próxima etapa, como explica o Dr. Fessler.

"Se você conseguir economizar uma dessas etapas do processo químico, reduzirá bastante a quantidade de tempo e material necessários e minimizará o desperdício." Foi exatamente isso que ele conseguiu com a reação ao pirrol, usando uma cascata de reações.

A substituição de metais nobres como catalisadores por ferro e similares tornou-se um tópico de pesquisa atraente internacionalmente. A LIKAT acumulou forte experiência neste campo nos últimos anos. Johannes Fessler estima que um quarto de seus jovens colegas do instituto estão trabalhando com catálise de metais não nobres em suas teses de doutorado.

Por um lado, este trabalho ajuda a conservar recursos. Dr. Fessler diz:“A tarefa de uma gestão sustentável e neutra para o clima enfrenta a indústria química, bem como todos os outros setores”. O ferro é abundante, constituindo 5% da crosta terrestre. E depois do ferro e do titânio, o manganês é o metal de transição mais comum (este nome vem do seu lugar na tabela periódica) na Terra.

Por outro lado, há uma razão pela qual os metais básicos até agora desempenharam apenas um papel marginal na química orgânica. "Eles são frequentemente menos estáveis ​​em processos catalíticos do que os catalisadores feitos de metais nobres", diz o Dr. Fessler. “Além disso, eles costumam trabalhar em altas temperaturas e pressões na área que estou pesquisando.”

No entanto, tais condições adversas destruiriam as moléculas complexas na produção de medicamentos. As estruturas químicas que garantem o efeito específico de um medicamento, os chamados grupos funcionais da molécula, estão particularmente em risco.

Alta precisão química na implementação

A este respeito, é um grande sucesso poder mostrar como os catalisadores feitos de ferro, manganês e cobalto podem, por vezes, funcionar com condições de reação significativamente mais suaves em comparação com a prática anterior.

No caso do pirrol, são temperaturas entre 20 e 30 graus Celsius. Os experimentos de Johannes Fessler revelaram outra vantagem de sua abordagem:seus catalisadores de metais não nobres converteram com muita precisão apenas as moléculas que os químicos precisavam na síntese real. "Chamamos esta abordagem de altamente seletiva. Quase não produz subprodutos ou resíduos."

Johannes Fessler testou o funcionamento confiável de sua reação em vários ingredientes ativos e precursores de drogas. “Queríamos ter certeza de que o catalisador de ferro também ativa o local certo na molécula para essas substâncias e poupa os grupos funcionais sensíveis”. Dessa forma, o químico testou seu método em medicamentos para baixar o colesterol e para pressão arterial, amplamente utilizados, entre outros.

Excursão de química:reação em cascata

Finalmente, a reação em cascata mencionada no início requer uma substância contendo nitrogênio chamada nitroareno como substância inicial, que é hidrogenada na primeira etapa usando ácido fórmico e um catalisador de ferro disponível comercialmente e então imediatamente sofre uma reação subsequente para formar pirrol. O pirrol é um produto químico fino comum no setor farmacêutico. É um dos heterociclos, compostos de carbono em forma de anel nos quais um átomo de carbono (C) é substituído por outro elemento, por ex. nitrogênio (N).

A reação em cascata compreende duas etapas. No primeiro, o nitroareno é hidrogenado para formar uma amina, também conhecida como anilina, um anel benzênico com um grupo amino (NH₂ ), que imediatamente entra em uma reação subsequente. Nesta reação subsequente, segunda etapa, o grupo amino reage com um composto dicarbonila com eliminação de água. Assim, condensa-se para formar pirrol.

A cascata tem sucesso devido ao ambiente ácido, pelo qual o ácido fórmico é responsável em dupla função, como agente redutor e como ácido. No entanto, isto requer um catalisador que funcione bem em condições ácidas. Este é precisamente o caso do catalisador à base de ferro utilizado por Johannes Fessler.

Mais informações: Johannes Fessler et al, Aplicando princípios de química verde à catálise de ferro:síntese em dominó suave e seletiva de pirróis a partir de nitroarenos, Ciência Química (2023). DOI:10.1039/D3SC02879H
Fornecido pelo Instituto Leibniz de Catálise