Les chimistes du MIT ont mis au point une nouvelle réaction chimique qui leur permet de synthétiser un anneau contenant du phosphore, en utilisant un catalyseur pour ajouter du phosphore à des composés organiques simples appelés alcènes.

Leur réaction, qui donne un cycle contenant deux atomes de carbone et un atome de phosphore, peut être effectuée à température et pression normales, et utilise une nouvelle molécule contenant du phosphore "à ressort" qui fournit l'atome de phosphore.

"Il s'agit d'un exemple rare de découverte d'une nouvelle réaction catalytique, et cela ouvre une véritable richesse de nouvelles opportunités pour faire de la chimie rendue possible par une réaction qui n'a jamais existé auparavant", déclare Christopher Cummins, professeur de chimie Henry Dreyfus au MIT. et l'auteur principal de l'étude.

Ces cycles contenant du phosphore pourraient trouver des utilisations comme catalyseurs pour d'autres réactions ou comme précurseurs de composés utiles tels que les produits pharmaceutiques, déclare Cummins.

Martin-Louis Riu, étudiant diplômé du MIT, est l'auteur principal de l'article, publié cette semaine dans le Journal of the American Chemical Society . L'ancien chercheur du MIT Andre Eckhardt est également l'un des auteurs de l'étude.

Créer un anneau

Les composés organiques qui contiennent des doubles liaisons entre les atomes de carbone, également appelés oléfines ou alcènes, sont des précurseurs importants dans de nombreuses réactions chimiques utiles dans l'industrie. En brisant ces liaisons carbone-carbone et en ajoutant de nouveaux atomes ou groupes d'atomes, les chercheurs peuvent créer une grande variété de nouveaux produits.

À titre d'exemple, les chimistes ont déjà conçu des moyens de convertir une double liaison carbone-carbone en un cycle à trois chaînons en ajoutant soit un autre atome de carbone, un atome d'azote ou un atome d'oxygène. Ces composés peuvent être trouvés dans les plastiques, les produits pharmaceutiques, les textiles et d'autres produits utiles.

Cependant, comme le phosphore est plus lourd que le carbone, l'azote ou l'oxygène, il a été difficile de trouver un moyen de l'incorporer dans les oléfines sans utiliser des méthodes de «force brute» qui nécessitent des conditions chimiques difficiles. L'équipe du MIT voulait trouver un moyen d'effectuer cette réaction dans des conditions douces, en utilisant un catalyseur pour transférer un groupe phosphinidène - un atome de phosphore lié à un groupe chimique organique - vers l'oléfine.

Pour y parvenir, ils avaient besoin d'un matériau de départ pouvant servir de source de phosphinidène, mais de tels composés n'existaient pas car les analogues directs de ceux utilisés pour les éléments plus légers tels que le carbone sont instables avec le phosphore.

Dans un article de 2019, le laboratoire de Cummins a développé une source possible, constituée de phosphinidène attaché à une molécule contenant plusieurs cycles hydrocarbonés. En utilisant ce composé, ils ont pu synthétiser un cycle à trois chaînons contenant du phosphore, mais la réaction nécessitait des températures élevées et ne fonctionnait qu'avec certains types d'oléfines.

Dans leur nouvel article, l'équipe du MIT a utilisé une source différente de phosphore pour la réaction - un composé que le laboratoire de Cummins a synthétisé pour la première fois en 2021. Cette molécule est un tétraèdre, une forme qui a intrinsèquement beaucoup d'énergie "contrainte", beaucoup comme un ressort comprimé, à cause des petits angles de liaison entre les quatre atomes qui forment le tétraèdre.

Ce composé, appelé tri-tert-butylphosphatetrahedrane, a trois sommets constitués d'atomes de carbone attachés à un groupe chimique appelé tert-butyle, et un sommet constitué d'un atome de phosphore avec une paire non partagée d'électrons. Dans de bonnes conditions, cette molécule contrainte peut être brisée pour libérer l'atome de phosphore.

Synthèse efficace

En utilisant cette molécule à ressort, les chercheurs ont pu utiliser un catalyseur contenant du nickel pour transférer le phosphinidène aux oléfines afin de créer des cycles à trois chaînons. Cette réaction peut être effectuée à température ambiante, avec un rendement élevé du produit souhaité.

"Toutes les étoiles alignées ici nous permettent de synthétiser un précurseur hautement sollicité qui conduit à une réactivité à température ambiante et à une catalyse rapide", déclare Cummins.

Les chercheurs prévoient maintenant d'étudier plus avant le mécanisme de la façon dont cette réaction se produit, qui, selon eux, dépend du transfert temporaire du phosphinidène au complexe de catalyseur au nickel. Le catalyseur incorpore alors le phosphore dans la double liaison de l'oléfine.

Ils espèrent également explorer la possibilité de créer une variété de nouveaux composés qui incluent l'anneau contenant du phosphore et de développer des moyens de contrôler laquelle des deux versions d'image miroir possibles est synthétisée. Une fois ces anneaux contenant du phosphore formés, ils peuvent être ouverts en ajoutant des molécules supplémentaires pour créer d'autres composés utiles. Les applications potentielles de ces types de produits comprennent les catalyseurs pour d'autres réactions ou les composants de produits pharmaceutiques contenant du phosphore. + Explorer plus loin

Des chimistes découvrent une nouvelle réactivité des molécules contraintes

Cette histoire est republiée avec l'aimable autorisation de MIT News (web.mit.edu/newsoffice/), un site populaire qui couvre l'actualité de la recherche, de l'innovation et de l'enseignement du MIT.