À l'Institut Leibniz de catalyse de Rostock, le Dr Johannes Fessler a développé de nouvelles méthodes de synthèse de précurseurs de médicaments à l'aide de catalyseurs à base de fer, de manganèse et de cobalt. Chacun de ces trois éléments chimiques a le potentiel de remplacer un certain nombre de métaux nobles couramment utilisés en chimie organique pour catalyser les produits chimiques fins.
Le platine et le palladium, par exemple, sont chers en raison de leur rareté, leur extraction est coûteuse et ils libèrent de grandes quantités de gaz à effet de serre CO2 . L’un des objectifs de la chimie « verte » est donc de se passer à l’avenir de ces métaux nobles dans la catalyse organométallique.
Johannes Fessler a acquis ses connaissances dans le cadre de sa thèse qu'il a soutenue en janvier. Il en a parlé dans Chemical Science , en collaboration avec son directeur de doctorat, le professeur Matthias Beller, et la directrice de son groupe de recherche, la Dr Kathrin Junge. Par exemple, vous pouvez lire comment un candidat ingrédient actif complexe à base de pyrrole, un précurseur de médicament courant, est créé à partir de « matières premières simples » à l'aide d'un catalyseur de fer homogène tolérant aux acides et à température ambiante.
La catalyse « homogène » signifie que les matières premières, le catalyseur, le solvant et finalement le produit et le sous-produit sont dissous dans un seul récipient de réaction. Ils doivent donc être séparés après chaque étape de réaction, purifiés et préparés pour l'étape suivante, comme l'explique le Dr Fessler.
"Si vous parvenez à économiser l'une de ces étapes du processus chimique, vous réduisez considérablement le temps et le matériel nécessaires et minimisez les déchets." C'est exactement ce qu'il a réalisé avec la réaction au pyrrole, en utilisant une cascade de réactions.
Le remplacement des métaux nobles comme catalyseurs par du fer, etc., est devenu un sujet de recherche intéressant au niveau international. LIKAT a développé au cours des dernières années une solide expertise dans ce domaine. Johannes Fessler estime qu'un quart de ses jeunes collègues de l'institut travaillent sur la catalyse des métaux non nobles dans leur thèse de doctorat.
D'une part, ce travail contribue à préserver les ressources. Le Dr Fessler déclare :« La tâche d'une gestion durable et neutre pour le climat incombe à l'industrie chimique ainsi qu'à tous les autres secteurs. » Le fer est abondant et constitue 5 % de la croûte terrestre. Et après le fer et le titane, le manganèse est le métal de transition le plus répandu (ce nom vient de sa place dans le tableau périodique) sur Terre.
D’un autre côté, il y a une raison pour laquelle les métaux communs n’ont jusqu’à présent joué qu’un rôle marginal en chimie organique. "Ils sont souvent moins stables dans les processus catalytiques que les catalyseurs constitués de métaux nobles", explique le Dr Fessler. "De plus, ils fonctionnent généralement à des températures et des pressions élevées dans la zone sur laquelle je fais des recherches."
Cependant, des conditions aussi difficiles détruiraient les molécules complexes utilisées dans la production de médicaments. Les structures chimiques qui assurent l'effet spécifique d'un médicament, appelés groupes fonctionnels dans la molécule, sont particulièrement menacées.
À cet égard, c'est un grand succès de pouvoir montrer comment les catalyseurs à base de fer, de manganèse et de cobalt peuvent parfois fonctionner dans des conditions de réaction nettement plus douces par rapport à la pratique précédente.
Dans le cas du pyrrole, ce sont des températures comprises entre 20 et 30 degrés Celsius. Les expériences de Johannes Fessler ont révélé un autre avantage de son approche :ses catalyseurs à base de métaux non nobles convertissaient très précisément uniquement les molécules dont les chimistes avaient besoin pour la synthèse proprement dite. "Nous qualifions cette approche de très sélective. Elle ne produit pratiquement aucun sous-produit ni déchet."
Johannes Fessler a testé le fonctionnement fiable de sa réaction sur divers principes actifs et précurseurs de médicaments. "Nous voulions nous assurer que le catalyseur au fer active également le bon endroit dans la molécule pour ces substances et épargne les groupes fonctionnels sensibles." De cette façon, le chimiste a testé sa méthode, entre autres, sur des médicaments hypocholestérolémiants et des médicaments contre l'hypertension artérielle largement utilisés.
Enfin, la réaction en cascade mentionnée au début nécessite comme substance de départ une substance contenant de l'azote appelée nitroarène, qui est hydrogénée dans un premier temps à l'aide d'acide formique et d'un catalyseur au fer disponible dans le commerce, puis subit immédiatement une réaction ultérieure pour former du pyrrole. Le pyrrole est un produit chimique fin courant dans le secteur pharmaceutique. C'est l'un des hétérocycles, composés carbonés en forme d'anneau dans lesquels un atome de carbone (C) est remplacé par un autre élément, par ex. azote (N).
La réaction en cascade comprend deux étapes. Dans le premier, le nitroarène est hydrogéné pour former une amine, également connue sous le nom d'aniline, un cycle benzénique avec un groupe amino (NH2 ), qui entre immédiatement dans une réaction ultérieure. Dans cette réaction ultérieure, la deuxième étape, le groupe amino réagit avec un composé dicarbonyle avec élimination de l'eau. Il se condense ainsi pour former du pyrrole.
La cascade réussit grâce à l’environnement acide, dont l’acide formique est responsable d’une double fonction, d’agent réducteur et d’acide. Cependant, cela nécessite un catalyseur qui fonctionne bien dans des conditions acides. C'est précisément le cas du catalyseur à base de fer utilisé par Johannes Fessler.
Plus d'informations : Johannes Fessler et al, Application des principes de la chimie verte à la catalyse du fer :synthèse domino douce et sélective des pyrroles à partir des nitroarènes, Science chimique (2023). DOI :10.1039/D3SC02879H
Fourni par l'Institut Leibniz pour la catalyse
