Les anciens alchimistes ont essayé de transformer le plomb et d'autres métaux communs en or et en platine. Les chimistes modernes du laboratoire de Paul Chirik à Princeton transforment des réactions qui dépendaient de métaux précieux nocifs pour l'environnement, trouver des alternatives moins chères et plus vertes pour remplacer le platine, rhodium et autres métaux précieux dans la production de médicaments et d'autres réactions.

Ils ont trouvé une approche révolutionnaire qui utilise du cobalt et du méthanol pour produire un médicament contre l'épilepsie qui nécessitait auparavant du rhodium et du dichlorométhane, un solvant toxique. Leur nouvelle réaction fonctionne plus rapidement et à moindre coût, et il a probablement un impact environnemental beaucoup plus faible, dit Chirik, le professeur de chimie Edwards S. Sanford. « Cela met en évidence un principe important de la chimie verte :la solution la plus environnementale peut également être la solution préférée sur le plan chimique, " at-il dit. La recherche a été publiée dans le journal Science le 25 mai.

"La découverte et le processus pharmaceutiques impliquent toutes sortes d'éléments exotiques, " a déclaré Chirik. " Nous avons commencé ce programme il y a peut-être 10 ans, et c'était vraiment motivé par le coût. Les métaux comme le rhodium et le platine sont vraiment chers, mais comme le travail a évolué, nous avons réalisé qu'il y a beaucoup plus que la simple tarification. ... Il y a d'énormes préoccupations environnementales, si vous pensez à extraire du platine du sol. Typiquement, vous devez aller à environ un kilomètre de profondeur et déplacer 10 tonnes de terre. Cela a une empreinte massive de dioxyde de carbone. »

Chirik et son équipe de recherche se sont associés à des chimistes de Merck &Co., Inc., pour trouver des moyens plus respectueux de l'environnement pour créer les matériaux nécessaires à la chimie moderne des médicaments. La collaboration a été rendue possible par le programme GOALI (Grant Opportunities for Academic Liaison with Industry) de la National Science Foundation.

Un aspect délicat est que de nombreuses molécules ont des formes droitières et gauchers qui réagissent différemment, avec des conséquences parfois dangereuses. La Food and Drug Administration a des exigences strictes pour s'assurer que les médicaments n'ont qu'une "main" à la fois, connus sous le nom de médicaments à énantiomère unique.

"Les chimistes sont mis au défi de découvrir des méthodes pour synthétiser une seule main de molécules médicamenteuses plutôt que de synthétiser les deux puis de les séparer, " dit Chirik. " Les catalyseurs métalliques, historiquement basé sur des métaux précieux comme le rhodium, ont été chargés de résoudre ce défi. Notre article démontre qu'un métal plus abondant sur Terre, cobalt, peut être utilisé pour synthétiser le médicament contre l'épilepsie Keppra d'une seule main."

Il y a cinq ans, les chercheurs du laboratoire de Chirik ont ​​démontré que le cobalt pouvait fabriquer des molécules organiques à énantiomère unique, mais uniquement en utilisant des composés relativement simples et non actifs en médecine et en utilisant des solvants toxiques.

"Nous avons été inspirés pour pousser notre démonstration de principe dans des exemples du monde réel et démontrer que le cobalt pouvait surpasser les métaux précieux et fonctionner dans des conditions plus respectueuses de l'environnement, ", a-t-il déclaré. Ils ont découvert que leur nouvelle technique à base de cobalt est plus rapide et plus sélective que l'approche brevetée au rhodium.

"Notre article démontre un cas rare où un métal de transition abondant sur Terre peut surpasser les performances d'un métal précieux dans la synthèse de médicaments à énantiomère unique, " a-t-il dit. " Ce à quoi nous commençons à faire la transition, c'est que les catalyseurs abondants sur Terre ne remplacent pas seulement les métaux précieux, mais ils offrent des avantages distincts, qu'il s'agisse d'une nouvelle chimie que personne n'a jamais vue auparavant ou d'une réactivité améliorée ou d'une empreinte environnementale réduite."

Non seulement les métaux de base sont moins chers et beaucoup plus respectueux de l'environnement que les métaux rares, mais la nouvelle technique fonctionne au méthanol, ce qui est beaucoup plus écologique que les solvants chlorés dont le rhodium a besoin.

« La fabrication de molécules médicamenteuses, en raison de leur complexité, is one of the most wasteful processes in the chemical industry, " said Chirik. "The majority of the waste generated is from the solvent used to conduct the reaction. The patented route to the drug relies on dichloromethane, one of the least environmentally friendly organic solvents. Our work demonstrates that Earth-abundant catalysts not only operate in methanol, a green solvent, but also perform optimally in this medium.

"This is a transformative breakthrough for Earth-abundant metal catalysts, as these historically have not been as robust as precious metals. Our work demonstrates that both the metal and the solvent medium can be more environmentally compatible."

Methanol is a common solvent for one-handed chemistry using precious metals, but this is the first time it has been shown to be useful in a cobalt system, noted Max Friedfeld, the first author on the paper and a former graduate student in Chirik's lab.

Cobalt's affinity for green solvents came as a surprise, said Chirik. "For a decade, catalysts based on Earth-abundant metals like iron and cobalt required very dry and pure conditions, meaning the catalysts themselves were very fragile. By operating in methanol, not only is the environmental profile of the reaction improved, but the catalysts are much easier to use and handle. This means that cobalt should be able to compete or even outperform precious metals in many applications that extend beyond hydrogenation."

The collaboration with Merck was key to making these discoveries, noted the researchers.

Chirik said:"This is a great example of an academic-industrial collaboration and highlights how the very fundamental—how do electrons flow differently in cobalt versus rhodium?—can inform the applied—how to make an important medicine in a more sustainable way. I think it is safe to say that we would not have discovered this breakthrough had the two groups at Merck and Princeton acted on their own."

The key was volume, said Michael Shevlin, an associate principal scientist at the Catalysis Laboratory in the Department of Process Research &Development at Merck &Co., Inc., and a co-author on the paper.

"Instead of trying just a few experiments to test a hypothesis, we can quickly set up large arrays of experiments that cover orders of magnitude more chemical space, " Shevlin said. "The synergy is tremendous; scientists like Max Friedfeld and [co-author and graduate student] Aaron Zhong can conduct hundreds of experiments in our lab, and then take the most interesting results back to Princeton to study in detail. What they learn there then informs the next round of experimentation here."

Chirik's lab focuses on "homogenous catalysis, " the term for reactions using materials that have been dissolved in industrial solvents.

"Homogenous catalysis is usually the realm of these precious metals, the ones at the bottom of the periodic table, " Chirik said. "Because of their position on the periodic table, they tend to go by very predictable electron changes—two at a time—and that's why you can make jewelry out of these elements, because they don't oxidize, they don't interact with oxygen. So when you go to the Earth-abundant elements, usually the ones on the first row of the periodic table, the electronic structure—how the electrons move in the element—changes, and so you start getting one-electron chemistry, and that's why you see things like rust for these elements.

Chirik's approach proposes a radical shift for the whole field, said Vy Dong, a chemistry professor at the University of California-Irvine who was not involved in the research. "Traditional chemistry happens through what they call two-electron oxidations, and Paul's happens through one-electron oxidation, " she said. "That doesn't sound like a big difference, but that's a dramatic difference for a chemist. That's what we care about—how things work at the level of electrons and atoms. When you're talking about a pathway that happens via half of the electrons that you'd normally expect, it's a big deal. ... That's why this work is really exciting. You can imagine, once we break free from that mold, you can start to apply it to other things, too."

"We're working in an area of the periodic table where people haven't, pendant longtemps, so there's a huge wealth of new fundamental chemistry, " said Chirik. "By learning how to control this electron flow, the world is open to us."