Réaction d'amidation sélective utilisant de nouveaux catalyseurs à l'iridium (Ir). Abondant dans la nature Les hydrocarbures sont utilisés comme substrats pour synthétiser un cycle azoté, appelés gamma-lactamines. Figure 2 :Trois voies de réaction possibles et barrières énergétiques prédites par la chimie computationnelle. Les scientifiques ont développé de nouveaux catalyseurs à base d'iridium hautement sélectifs pour la voie d'insertion C-H qui conduit aux molécules de gamma-lactame souhaitées. Crédit : Institut des sciences fondamentales
Une équipe de chercheurs du Centre de Fonctionnalisations Catalytiques des Hydrocarbures, au sein de l'Institut des sciences fondamentales (IBS, Corée du Sud), ont conçu une nouvelle stratégie pour synthétiser des molécules cycliques en forme d'anneau, très recherché par les industries pharmaceutiques et chimiques, et connus sous le nom de gamma-lactames. Cette étude décrit comment ces cycles à cinq chaînons peuvent être préparés à partir d'hydrocarbures de base peu coûteux et facilement disponibles, ainsi qu'à partir de molécules organiques complexes, tels que les acides aminés et les stéroïdes. Les gamma-lactamines trouvent plusieurs applications en médecine, synthétique, et la chimie des matériaux. Par exemple, ils sont inclus dans un grand nombre de composés pharmaceutiquement actifs avec antibiotique, anti-inflammatoire, et les fonctions anti-tumorales. Publié dans Science , cette recherche a été menée au Korea Advanced Institute of Science and Technology (KAIST).
La conversion des hydrocarbures en composés azotés est un domaine de recherche important, où le défi réside dans la rupture de fortes liaisons carbone-hydrogène (C?H), et les convertir en liaisons carbone-azote (C-N) de manière contrôlée. Pour cette raison, les hydrocarbures sont difficiles à utiliser comme matières premières, bien qu'ils existent en grande quantité dans la nature.
Au cours des 35 dernières années, les chimistes ont trouvé des moyens de convertir des hydrocarbures simples en cycles contenant de l'azote, comme les indoles ou les pyrrolidines, mais les gamma-lactamines se sont avérées impossibles à préparer en utilisant les mêmes approches. Les chercheurs de l'IBS ont émis l'hypothèse qu'un tel échec était dû à des voies chimiques alternatives qui éloignent la réaction des anneaux recherchés :l'intermédiaire de réaction (carbonylnitrène) se décompose rapidement en produits non recherchés. En utilisant des modèles informatiques des voies de réaction souhaitées et indésirables, l'équipe a trouvé une stratégie pour fermer complètement ce dernier afin d'obtenir les gamma-lactamines tant attendues. Pour la première fois, ces quatre molécules cycliques de carbone et une d'azote ont été obtenues directement à partir de produits chimiques de base simples.
"Avec ce travail, nous proposons une toute nouvelle solution à un défi de longue date et démontrons la puissance de ce que nous appelons le développement de réactions basées sur des mécanismes, " explique le professeur BAIK Mu-Hyun, un auteur correspondant de l'étude.
Gamma-lactames intéressants dérivés d'acides aminés naturels et non naturels, stéroïdes, etc., qui peut être utilisé pour protéger les plantes contre les insectes, lutter contre les vers parasites, ou comme agents anti-âge. Crédit : Institut des sciences fondamentales (IBS)
Dirigé par le professeur CHANG Sukbok, Les chercheurs d'IBS ont conçu la réaction gagnante à l'aide de simulations informatiques qui analysent les mécanismes de réaction et calculent l'énergie requise pour que la réaction ait lieu. Selon de telles prédictions informatiques, la réaction pourrait suivre trois voies, conduisant à la formation soit du gamma-lactame souhaité, un produit indésirable (isocyanate), ou la dégradation du catalyseur provoquée par la réaction du substrat avec le squelette du catalyseur. Combinant observations expérimentales et simulations informatiques détaillées, l'équipe a conçu un catalyseur à base d'iridium, hautement sélectif pour la formation de gamma-lactame. De cette façon, les deux voies indésirables ont été systématiquement fermées, laissant la formation du cycle contenant de l'azote comme seul résultat possible.
Au-delà de l'utilisation d'hydrocarbures de base bon marché comme substrats, l'équipe a également réussi à convertir des acides aminés, stéroïdes, et d'autres molécules bio-pertinentes en gamma-lactames, qui pourrait trouver une variété d'applications comme insecticide pour plantes, médicaments contre les vers parasites, ou des agents anti-âge. Cette nouvelle technologie de synthèse donne un accès beaucoup plus facile à ces molécules complexes et permettra le développement de médicaments potentiels dans un temps beaucoup plus court et à moindre coût.
« Dans ce travail révolutionnaire, nous nous sommes éloignés de la stratégie d'amination existante et avons ouvert la porte à une toute nouvelle façon de transformer C-H en obligations C-N. Notre découverte est un travail de changement de paradigme et elle offre une nouvelle base conceptuelle pour de nombreux développements passionnants à suivre, " s'enthousiasme le professeur CHANG.
Les chercheurs d'IBS souhaitent désormais développer des systèmes catalytiques moins coûteux, et élargir la gamme de produits, par exemple en produisant des cycles à quatre ou six atomes (appelés bêta-lactame et delta-lactame, respectivement). Finalement, comme l'explique le premier auteur de l'étude, HONG Seung Youn, l'équipe aspire à passer des réactions d'amination intramoléculaires aux réactions intermoléculaires :« L'objectif final serait d'atteindre la conversion directe d'alcanes inactivés, tels que les gaz naturels comme le méthane ou le gaz éthane, en produits chimiques utiles à valeur ajoutée via une amination C-H intermoléculaire."
