Observando el largo

20 de julio de 2023

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por Instituto de Ciencias Básicas

Investigadores del Instituto de Ciencias Básicas (IBS) de Corea del Sur han realizado un descubrimiento innovador al identificar la estructura y reactividad de los intermediarios rodio-acilnitrenoide en reacciones catalíticas de aminación de hidrocarburos. Al estudiar el complejo de coordinación rodio-dioxazolona mediante análisis de difracción de rayos X de cristal único fotoinducido, capturaron el momento fugaz de la formación del intermediario Rh-acilnitrenoide.

Los hallazgos se publican en la revista Science.

Se espera que este logro allane el camino para el desarrollo de catalizadores altamente reactivos y selectivos para convertir hidrocarburos en productos de valor agregado, con aplicaciones potencialmente de amplio alcance en diversas industrias.

Dirigidos por el director Chang Sukbok, científicos del Centro de Funcionalizaciones Catalíticas de Hidrocarburos del Instituto de Ciencias Básicas (IBS) han logrado un gran avance en la comprensión de la estructura y reactividad de un intermediario clave en las reacciones catalíticas. Este intermedio, conocido como nitrenoide de metal de transición, desempeña un papel crucial en la conversión de hidrocarburos en amidas, que son importantes en la ciencia farmacéutica y de materiales.

En las reacciones químicas, los intermedios son sustancias que se forman y consumen durante la transformación de los reactivos en productos. Por lo tanto, comprender estos intermediarios es crucial para mejorar las vías de reacción y desarrollar catalizadores eficientes. Por ejemplo, los compuestos que contienen nitrógeno forman la columna vertebral de aproximadamente el 90% de los productos farmacéuticos y son esenciales en la ciencia de materiales.

Por lo tanto, es muy importante identificar los intermedios involucrados en las reacciones de aminación, donde se introducen grupos funcionales a base de nitrógeno en las materias primas de hidrocarburos.

Los investigadores reconocieron la importancia de comprender la estructura y las propiedades de los intermediarios de las reacciones de aminación. En particular, se descubrió que las reacciones que utilizan catalizadores de metales de transición y reactivos de dioxazolona son muy útiles para la química medicinal y la ciencia de materiales, y más de 120 grupos de investigación en todo el mundo contribuyen al desarrollo de este campo.

La clave para comprender estas reacciones en el nivel fundamental radica en la capacidad de estudiar el intermedio de reacción que se forma cuando un catalizador de metal de transición se une al reactivo de dioxazolona, ​​conocido como metal-acilnitrenoide. Estas especies intermedias han sido notoriamente difíciles de estudiar debido a su naturaleza altamente reactiva, que sólo les permite existir por un momento fugaz.

Además, las reacciones catalíticas tradicionales suelen ocurrir en una solución, donde las sustancias intermediarias reaccionan rápidamente con otras moléculas, lo que las hace aún más difíciles de estudiar.

Para afrontar este desafío, el equipo del IBS ideó un enfoque experimental utilizando fotocristalografía de rayos X. Además, también se centraron en el seguimiento de reacciones químicas en estado sólido en lugar de soluciones líquidas. Para ello, desarrollaron un nuevo complejo de rodio cromofórico con un ligando de dioxazolona bidentado, donde la transferencia de carga fotoinducida de metal a ligando inicia la amidación catalítica C-H de fuentes de hidrocarburos como el benceno.

Utilizando este sistema recientemente diseñado, los investigadores sintetizaron un complejo de coordinación de rodio-dioxazolona aislable. Luego, mediante análisis de difracción de rayos X de monocristal fotoinducido utilizando radiación de sincrotrón (Pohang Accelerator Laboratory), lograron revelar la estructura y propiedades del intermedio rodio-acilnitrenoide por primera vez.

Además, este estudio fue diseñado para lograr también el monitoreo cristalográfico de la transferencia de rodio-acilnitreno hacia un nucleófilo externo, todo en la fase sólida, lo que proporciona instantáneas mecanísticas completas del proceso de transferencia de nitrenoide.

Esta investigación marca un importante paso adelante en comparación con investigaciones anteriores en el campo de la catálisis que involucra intermediarios metal-nitrenoide. Al observar los intermediarios metal-nitrenoide en reacciones catalíticas, el estudio proporciona información crucial sobre su reactividad. Se espera que estos hallazgos contribuyan al desarrollo de catalizadores más reactivos y selectivos para reacciones de aminación de hidrocarburos en el futuro.

El director Chang destacó la importancia de este descubrimiento al afirmar: "Hemos capturado experimentalmente el intermediario metal-nitrenoide de transición, cuya existencia sólo había sido una hipótesis y era difícil de probar". Señaló además que esta investigación proporcionaría pistas importantes para el diseño de catalizadores altamente reactivos y selectivos que podrían ser útiles en diversas industrias, posiblemente incluso contribuyendo al desarrollo de un "catalizador universal".

Más información: Hoimin Jung et al, Instantáneas mecanicistas de reacciones de transferencia de acilnitreno catalizadas por rodio, Science (2023). DOI: 10.1126/science.adh8753. www.science.org/doi/10.1126/science.adh8753

Información de la revista:Ciencia

Proporcionado por el Instituto de Ciencias Básicas