Nikel katalizörü yapımı zor β-amino alkollerin kilidini açar

Canlı organizmalardaki ve farmasötiklerdeki birçok molekül, bir amino grubunun ve bir hidroksil grubunun komşu karbon atomlarının üzerinde yer aldığı β-amino alkol adı verilen bir yapıyı paylaşır. Biyoloji ve tıpta önemli yapı taşları olan bu gruplar, sfingozin ve efedrin gibi bileşiklerde bulunur.

Bu tür moleküllerde atomların tam üç boyutlu düzeni, aynı kimyasal formüle sahip olsalar bile biyolojik aktivitelerini büyük ölçüde etkileyebilir. Bu nedenle, bunları sentezlemeye çalışan kimyagerler, ihtiyaç duydukları spesifik versiyonu üreten tekniklere ihtiyaç duyarlar.

Yaygın bir yöntem, daha sonra bir β-amino alkole indirgenebilen bir β-nitro alkol oluşturmak üzere bir aldehit ve bir nitroalkanı birleştiren, iyi çalışılmış Henry reaksiyonudur. Bununla birlikte, Henry reaksiyonuna yönelik çoğu katalizör bazlı yaklaşım, iki grubun molekülün aynı tarafına işaret ettiği syn formu olarak bilinen formu üretir. Grupların molekülün karşıt taraflarına işaret ettiği antiformun güvenilir bir şekilde sentezlenmesinin çok daha zor olduğu kanıtlanmıştır.

İşbirliği yapan etkileşimler üzerine kurulu bir katalizör

Bu zorluğun üstesinden gelmek için, Japonya’daki Chiba Üniversitesi Bilim Enstitüsü’nden profesör Takayoshi Arai liderliğindeki bir araştırma ekibi, tek bir sistemde çeşitli moleküler etkileşim türlerinden yararlanarak anti-formu destekleyen yeni bir katalizör tasarladı.

Çevrimiçi olarak yayınlanan çalışmaları Angewandte Chemie Uluslararası Sürümüher ikisi de Chiba Üniversitesi Fen Bilimleri Enstitüsü’nden Dr. Soushi Tsurusaki ve Dr. Hidesato Iwama tarafından ortak yazılmıştır.

Araştırmacılar oXF adı verilen katalizörlerini oluşturdular₄-PyBidin-Ni(OTf)₂ (X = Br veya I), PyBidin adı verilen moleküler bir yapı içeren bir nikel kompleksinin etrafında.

Halojen bağlama kapasitesine sahip bir bölge oluşturmak için katalizör üzerinde belirli bir konuma brom veya iyot eklediler. Halojen bağında, halojen atomunun yüzeyinde σ-deliği adı verilen pozitif bir yük oluşur ve fonksiyonel gruplarla elektrostatik etkileşimler kurar. Bu kovalent olmayan etkileşim, aldehitin belirli bir yönde konumlandırılmasına yardımcı oldu.

Bir hidrojen atomu ile elektronegatif bir atom arasında ortaya çıkan daha tanıdık bir çekici kuvvet olan hidrojen bağı da aldehitin yerinde tutulmasına ve aktive edilmesine yardımcı oldu. Bu arada nikel, trietilamin adı verilen bir bazın yanı sıra nitroalkanı aktive etti.

Çoklu reaktanlarda güçlü seçicilik

Bu etkileşimler birlikte, reaksiyona giren iki molekülü, anti-ürüne yol açan uygun bir uzatılmış düzenlemede konumlandırdı. Çözücü olarak alkol kullanan katalizör, birçok reaktan kombinasyonu için syn formuna göre 96:4’e kadar seçiciliğe sahip anti formu üretti. Aynı zamanda %99’a kadar enantiyomerik fazlalık da verdi; bu, ürünün neredeyse tamamının, anti-formun iki olası ayna görüntüsünün aynı versiyonu olduğu anlamına geliyor.

Yöntem, heterosiklik halkalı olanlar da dahil olmak üzere birçok aromatik aldehit ve çeşitli nitroalkan türleri ile çalıştı. Arai, “Çeşitli etkileşimlerin tek bir katalizör üzerinde koordineli işleyişi, son teknoloji ürünü katalitik kimyada bir ilerlemeyi temsil ediyor” diye belirtiyor.

Katalizörün brom versiyonu genellikle iyot versiyonundan daha aktifti, bunun nedeni muhtemelen bromun daha küçük olması ve moleküllerin yaklaşması için daha fazla yer bırakmasıydı.

Katalizörün reaksiyonu seçici olarak nasıl kontrol ettiğinin daha ince ayrıntılarını anlamak için ekip bir dizi bilgisayar simülasyonu gerçekleştirdi. Bunlar, en uygun yolun, brom atomu ile aldehitin aromatik halkası arasındaki halojen bağının yanı sıra, nikel ile nitro grubu arasındaki hidrojen bağı ve etkileşimleri içerdiğini gösterdi.

Daha karmaşık katalitik sistemlere doğru

Genel olarak, bu çalışmanın bulguları, anti-β-amino alkollerin sentezlenmesi için yararlı bir yol sağlayabilir, çünkü reaksiyon ürünlerindeki nitro grubu, iyi bilinen kimyasal yöntemler kullanılarak kolaylıkla bir amino grubuna dönüştürülebilir. Daha geniş anlamda çalışma, halojen bağının hidrojen bağı ve metal koordinasyonu ile aynı anda kullanılabileceğini göstermektedir.

Arai şöyle açıklıyor: “Yapay metaloenzimlerin ve halojen bağına dayalı ilaçların geliştirilmesi için büyüleyici olan, protik çözücülerdeki bir metal katalizör üzerindeki halojen bağları ve hidrojen bağlarının daha yüksek düzeyde işbirliğini gösterdik.”

Bu tür işbirlikçi katalizör tasarımı, kimyasal reaksiyonların kontrol edilmesi için yeni stratejiler sağlayabilir ve uzun vadede daha karmaşık katalitik sistemlerin geliştirilmesine katkıda bulunabilir.