Datum objave: 03.01.2019

Kategorija: Aktualno na Univerzi

Raziskovalci s Fakultete za kemijo in kemijsko tehnologijo Univerze v Ljubljani (UL FKKT) pod vodstvom prof. dr. Janeza Košmrlja so odkrili nov mehanizem kemijske reakcije za tvorbo vezi med dvema ogljikoma, ki ima pomembno mesto tako v industrijskih kot akademskih sinteznih procesih. Delo je bilo objavljeno v članku v prestižni znanstveni reviji Nature Communications. 

Gre za daleč najpomembnejši način tvorbe vezi ogljik–ogljik, ki v procesu, kataliziranem s paladijem, poveže aromatski halogenid in terminalni acetilen v interni acetilen. Metoda je ključna v številnih sintezah zdravilnih učinkovin v industrijskem merilu. Primeri so proizvodnja inhibitorja farnesyl transferaze (Pfizer), inaktivatorja dehidrogenaze (Enduracil, GlaxoSmithKline), antimikotika (Terbinafin, Sandoz) in Altiniclina, učinkovine za zdravljenje Parkinsonove, Alzheimerjeve in drugih nevrodegenerativnih bolezni.

Kljub temu da je bila reakcija odkrita pred skoraj pol stoletja in so jo od takrat proučevali številni znanstveniki širom po svetu, ključna vprašanja glede reakcijskega mehanizma vse doslej niso bila ustrezno pojasnjena. Potrebno je poudariti, da je razumevanje reakcijskih mehanizmov temelj kemijskih znanosti, saj je nujna osnova za logično in racionalno načrtovanje ter optimizacijo kemijskih pretvorb. Za industrijo to predstavlja pomembno poenostavitev in pocenitev proizvodnje ter bistveno manjšo obremenitev okolja.

Raziskovalna skupina prof. dr. Janeza Košmrlja zadnja leta intenzivno razvija nove generacije katalizatorjev za tvorbo vezi ogljik–ogljik. Eden glavnih motivov je najti alternativne rešitve, ki bodo ekonomsko in ekološko sprejemljivejše od vseh do slej znanih. Pred kratkim so uspešno razvili paladijev katalizator, z imenom iPEPPSI, ki omogoča sintezo ključnega sintetskega intermediata Altiniclina, v vodi kot edinem topilu, v prisotnosti poceni anorganske baze in relativno majhne količine paladija, v odprti posodi in brez kakršnih koli drugih dodatkov. Več o tem opisujejo v članku v reviji Chemical Communications. Za primerjavo, predhodno opisana industrijska sinteza Altiniclina je industrijsko izjemno zahtevna, saj je izvedljiva le v popolni odsotnosti vode in zraka, v organskem aminu, ki istočasno služi kot baza in topilo, v prisotnosti izjemno velikih količin paladija in dodatkov na osnovi bakra.

Temeljite študije mehanizma reakcije z novo razvitim katalizatorjem iPEPPSI so pokazale, da se ta bistveno razlikuje od tistega, ki je bil v kemijski srenji predpostavljen in sprejet za delovanje predhodno uporabljenih katalizatorjev. »To nenavadno dejstvo, seveda v kombinaciji z bogatimi izkušnjami in vrhunskim poznavanjem področja, nas je napeljalo na drzno misel, da je predhodno predpostavljen in že v visokošolskih učbenikih opisan mehanizem s paladijem katalizirane tvorbe vezi ogljik–ogljik za pripravo internih acetilenov napačen,« pojasnjuje Košmrlj.

Sledile so sistematične raziskave reakcije pod različnimi pogoji in z različnimi katalizatorji. Predvsem takšnimi, ki so bili predhodno najpogosteje uporabljeni v procesu in takšnimi, ki so jih drugi raziskovalci v svojih mehanističnih študijah uporabljali kot modelne primere. Inteligentno zastavljeni laboratorijski in spektroskopski eksperimenti, ki sta jih spretno izpeljala predvsem doc. dr. Martin Gazvoda in mladi raziskovalec Miha Virant, mag. kem., so dali natančen vpogled v vsako od množice elementarnih stopenj. Sodobne metode več dimenzionalne in več jedrne nuklearne magnetne resonance ter visokoločljivostne masne spektrometrije so dale trdno osnovo za identifikacijo ključnih reakcijskih intermediatov. Ti so bili za dokončno potrditev predlaganega mehanizma pripravljeni še neodvisno ter uporabljeni v vrsti kinetičnih študij. Za dodatno potrditev obstoja izjemno reaktivnih intermediatov, še posebej pa prehodnih stanj, ki jih eksperimentalno s sedaj znanimi metodami ni mogoče izmeriti, je delo podprto s teoretičnimi študijami s teorijo gostotnih funkcionalov, ki jih je v sodelovanju prispeval profesor Balazs Pinter z Univerze Federico Santa María v Valparaísu (Čile).

Raziskovalci so tako predlagali in dokazali nov mehanizem zgoraj omenjene reakcije, v katerem delujeta dva neodvisna procesa in ne le eden, kot so napačno razlagali doslej. Dejansko gre za istočasno tvorbo dveh kompleksov paladija v ločenih ciklih (s terminalnim acetilenom oz. z aril halogenidom), ki reagirata drug z drugim tako, da nastane ustrezen interni acetilenski derivat. Sočasno s tvorbo produkta se sprostita Pd0 in Pd–X, ki vstopata v nove katalitske cikle.

S tem odkritjem so slovenski raziskovalci postavili nov temelj nekaterim reakcijam v organski kemiji, kar bo omogočalo optimizacije že znanih katalitskih procesov, na katerih temeljijo številne industrijske sinteze, kot tudi razvoj novih.

Raziskave so finančno podprle: Javna agencija za raziskovalno dejavnost RS, ARRS (Program P1-0230 ter projekta J1-8147 in J1-9166), belgijska agencija Research Foundation—Flanders (WFO) in Infrastrukturni center Fakultete za kemijo in kemijsko tehnologijo, Mreže raziskovalnih infrastrukturnih centrov Univerze v Ljubljani (IC UL FKKT MRIC UL).