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Catalytic Csp3-H functionalization via carbene insertion meets sustainability: Developing an unprecedented Iron methodology

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Un catalizzatore artificiale a base di ferro spezza i legami più duri e meno reattivi presenti in natura

Alcuni ricercatori finanziati dall’UE hanno sviluppato un catalizzatore a base di ferro in grado di attivare un legame carbonio-idrogeno in maniera selettiva. I loro tentativi aprono uno spazio chimico completamente nuovo per la sintesi sostenibile di una vasta gamma di molecole organiche innovative.

Tecnologie industriali

La chimica organica distingue tra legami molecolari reattivi o funzionali e legami inerti o non funzionali carbonio-carbonio e carbonio-ossigeno. I legami inerti forniscono un robusto substrato per la sintesi chimica di molecole con i gruppi reattivi. La funzionalizzazione carbonio-idrogeno stravolge questo modello. Quando vengono attivati mediante vicinanza ad un gruppo funzionale, i legami carbonio-idrogeno diventano siti reattivi. La reazione implica la rottura del legame tra carbonio e idrogeno e il successivo scambio dell’idrogeno con un eteroatomo – carbonio, ossigeno o azoto.

Catalizzatori sintetici più economici ed efficienti

Innescare in maniera selettiva una reazione nel legame carbonio-idrogeno desiderato è un compito arduo, in quanto le molecole organiche normalmente contengono una grande quantità di questi legami. I catalizzatori possono aiutare a ottenere questa selettività, ma la maggior parte di loro sono spesso metalli preziosi, e pertanto costosi, come il rodio. Finanziato dal programma di azioni Marie Skłodowska-Curie, il progetto FeCHACT ha trovato un modo per sostituire l’utilizzo di metalli costosi, abbassando i costi di produzione di complesse molecole organiche. I ricercatori hanno sviluppato con successo un catalizzatore a base di ferro, capace di spezzare in modo efficace i legami carbonio-idrogeno. «Il nostro obiettivo primario era progettare un catalizzatore a base di ferro in grado di funzionalizzare i legami inerti carbonio-idrogeno mediante una reazione di trasferimento del carbene, possibilmente in condizioni blande», osserva il coordinatore di FeCHACT, Miguel Costas. Il trasferimento del carbene ai legami inerti carbonio-ossigeno è stato ampiamente dominato dai catalizzatori a base di metalli preziosi. Studi recenti hanno dimostrato che gli enzimi ferro-dipendenti hanno la stessa reattività. «Per questo motivo abbiamo puntato alla realizzazione di catalizzatori sintetici a base di ferro in grado di produrre correttamente le stesse reazioni chimiche», aggiunge Costas.

Spezzare il meccanismo di fondo della reazione

«Abbiamo utilizzato metodologie di sintesi innovative che sono più ecocompatibili rispetto ai metodi di ultima generazione. Tali metodologie hanno inoltre aperto un nuovo spazio chimico, che rende possibile la produzione di diverse librerie di molecole organiche», spiega Costas. I ricercatori hanno progettato un catalizzatore che mostra un basso numero di coordinazione e crea un centro di ferro altamente elettrofilo. La combinazione di questo catalizzatore con un co-catalizzatore al litio ha contribuito a migliorare l’attività catalizzatrice e ad attivare gli azocomposti, i precursori del carbene, dando vita a specie altamente reattive che rendono possibile l’inserimento di carbene all’interno di legami inerti carbonio-idrogeno. A differenza dei rigidi sistemi a base di ferro utilizzati finora, questo composto ferroso elettrofilo a base di orto-fenilendiammina rende possibile un inserimento intramolecolare e intermolecolare senza precedenti del carbene in vari legami inerti alifatici carbonio-idrogeno, ciò mediante intermedi ferro-carbene in condizioni blande (25 °C). È interessante notare come il sistema combinato ferro-litio abbia dimostrato un’attività e selettività assimilabili a quelle dei catalizzatori a base di rodio carbossilato. «Studi meccanicistici sull’attivazione carbonio-idrogeno hanno messo in luce un processo concertato che prevede la reazione di inserimento di un frammento di carbene nel legame carbonio-idrogeno prescelto, piuttosto che un processo attivato mediante trasferimento di atomi di idrogeno», spiega Costas. La reazione di inserimento ha portato alla formazione di due nuovi legami carbonio-carbonio, generando i composti carbociclici desiderati.

Un potenziale davvero promettente

«Capire il meccanismo di reazione potrebbe presto consentirci di progettare catalizzatori stereoselettivi per realizzare prodotti enantiomericamente arricchiti – gli enantiometri sono una tipologia di stereoisomeri contenenti strutture che non sono immagini speculari sovrapponibili l’una dell’altra. Questa tecnologia è molto promettente per l’industria farmaceutica, ad esempio per la sintesi dei farmaci», osserva Costas. Nel complesso, le attività di FeCHACT hanno preparato il terreno per importanti progressi nella sintesi di prodotti della chimica fine, utilizzando materiali maggiormente disponibili e meno costosi rispetto al rodio largamente in uso. Inoltre, è stato possibile testare il primo catalizzatore a base di ferro capace di spezzare efficacemente legami che sono considerati inerti.

Parole chiave

FeCHACT, legame carbonio-idrogeno, catalizzatore a base di ferro, inserimento del carbene, rodio, enantiometro

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