Ein Katalysator für die elektronisch kontrollierte CH-Funktionalisierung

Die Chirik-Gruppe am Princeton Department of Chemistry meistert eine der großen Herausforderungen der metallkatalysierten C-H-Funktionalisierung mit einer neuen Methode, die einen Kobaltkatalysator verwendet, um zwischen Bindungen in Fluorarenen zu unterscheiden und diese auf der Grundlage ihrer intrinsischen elektronischen Eigenschaften zu funktionalisieren .

In einem Papier veröffentlicht diese Woche in WissenschaftForscher zeigen, dass sie in der Lage sind, die Notwendigkeit einer sterischen Kontrolle und dirigierender Gruppen zu umgehen, um eine kobaltkatalysierte Borylierung zu induzieren, die metaselektiv ist.

Die Forschung des Labors stellt einen innovativen Ansatz dar, der auf tiefen Einblicken in die metallorganische Chemie basiert, die seit über einem Jahrzehnt im Mittelpunkt seiner Mission stehen. In diesem Fall untersuchte das Chirik-Labor, wie Übergangsmetalle C-H-Bindungen aufbrechen, und entdeckte eine Methode, die enorme Auswirkungen auf die Synthese von Medikamenten, Naturprodukten und Materialien haben könnte.

Und ihre Methode ist schnell – vergleichbar mit der Geschwindigkeit, die auf Iridium basiert.

Die Forschung wird in „Kinetic and Thermodynamic Control of C(sp2)–H Activation Enable Site-Selective Borylation“ vom Hauptautor Jose Roque, einem ehemaligen Postdoc in der Chirik-Gruppe, beschrieben; Postdoktorand Alex Shimozono; und PI Paul Chirik, Edwards S. Sanford Professor für Chemie und ehemalige Labormitglieder Tyler Pabst, Gabriele Hierlmeier und Paul Peterson.

„Wirklich schnell, wirklich selektiv“

„Chemiker sagen seit Jahrzehnten: Lasst uns die synthetische Chemie auf den Kopf stellen und die C-H-Bindung zu einem reaktiven Teil des Moleküls machen. Das wäre unglaublich wichtig für die Arzneimittelentwicklung für die Pharmaindustrie oder für die Herstellung von Materialien“, sagte Chirik.

„Eine Möglichkeit, dies zu tun, ist die C-H-Borylierung, bei der man die C-H-Bindung in etwas anderes umwandelt, in eine Kohlenstoff-Bor-Bindung. Die Umwandlung von C-H in C-B ist ein Tor zu großartiger Chemie. „

Benzolringe sind in der medizinischen Chemie weit verbreitete Motive. Allerdings greifen Chemiker bei der Funktionalisierung auf traditionelle Ansätze zurück. Die Chirik Group entwickelt neue Methoden, die Zugang zu weniger erforschten Routen ermöglichen.

„Stellen Sie sich vor, Sie haben einen Benzolring mit einem Substituenten“, fügte Chikik hinzu. „Die Stelle daneben heißt ortho, die daneben heißt meta und die gegenüberliegende heißt para. Die meta-C-H-Bindung ist am schwierigsten selektiv herzustellen. Das hat Jose hier mit einem Kobalt gemacht Katalysator, und niemand hat es zuvor getan.

„Er hat einen Kobaltkatalysator hergestellt, der wirklich schnell und wirklich selektiv ist.“

Roque, jetzt Assistenzprofessor an der Fakultät für Chemie in Princeton, sagte, rationales Design sei der Kern ihrer Lösung.

„Wir bekamen schon früh während unserer stöchiometrischen Studien einen Einblick in die hohe Aktivität der CH-Aktivierung“, sagte Roque. „Der Katalysator aktivierte bei Raumtemperatur schnell die CH-Bindungen aromatischer Lösungsmittel. Um den Katalysator zu isolieren, mussten wir die Handhabung des Katalysators in aromatischen Lösungsmitteln vermeiden“, fügte er hinzu.

„Wir haben einen elektronisch reichen, aber sterisch zugänglichen Pinzettenliganden entworfen, von dem wir – basierend auf einigen früheren Erkenntnissen aus unserem Labor sowie einigen grundlegenden organometallischen Prinzipien – postuliert haben, dass er zu einem aktiveren Katalysator führen würde.“

„Und es hat.“

Ein Laborziel seit 2014

Bei der hochmodernen Borylierung wird Iridium als Katalysator für die sterisch gesteuerte CH-Funktionalisierung eingesetzt. Es ist hochreaktiv und schnell. Wenn Sie jedoch ein Molekül mit vielen CH-Bindungen haben, können Iridiumkatalysatoren die gewünschte Bindung nicht selektiv funktionalisieren.

Daher haben Pharmaunternehmen nach einer Alternative mit höherer Selektivität gefragt. Und sie haben es bei Übergangsmetallen der ersten Reihe wie Kobalt und Eisen gesucht, die kostengünstiger und nachhaltiger als Iridium sind.

Seit ihrer ersten Veröffentlichung zur C-H-Borylierung im Jahr 2014 hat das Chirik Lab das Konzept der elektronisch gesteuerten C-H-Aktivierung als eine Antwort auf diese Herausforderung formuliert. Ihre Idee ist es, C-H-Bindungen anhand elektronischer Eigenschaften zu unterscheiden, um sie zu funktionalisieren. Diese Eigenschaften spiegeln sich in der Bindungsstärke zwischen Metall und Kohlenstoff wider. Mit dem in dieser Forschung entwickelten Katalysator können Chemiker die ausgewählte Bindung und nur die ausgewählte Bindung treffen, indem sie diese unterschiedlichen Stärken nutzen.

Sie entdeckten jedoch ein weiteres Ergebnis, das ihre Methode vorteilhaft macht: Die Ortsselektivität kann durch Ausnutzung der kinetischen oder thermodynamischen Präferenzen der C-H-Aktivierung geändert werden. Dieser Selektivitätswechsel kann durch die Wahl eines Reagenzes gegenüber einem anderen erreicht werden, ein Prozess, der ebenso rationalisiert wie kostengünstig ist.

„Die ortsselektive Meta-zu-Fluor-Funktionalisierung war eine große Herausforderung. Mit dieser Forschung haben wir diesbezüglich große Fortschritte gemacht und die Chemie auf andere Substratklassen über Fluorarene hinaus ausgeweitet“, sagte Roque. „Aber durch die Untersuchung von Metallen der ersten Reihe haben wir auch herausgefunden, dass wir die Selektivität ändern können.“

Chirik fügte hinzu: „Für mich ist das ein riesiges Konzept in der C-H-Funktionalisierung. Jetzt können wir uns die Stärken der Metall-Kohlenstoff-Bindungen ansehen und vorhersagen, wohin die Dinge gehen werden. Das eröffnet eine ganz neue Chance. Das werden wir tun.“ in der Lage sein, Dinge zu tun, die Iridium nicht kann.

Shimozono kam erst spät im Spiel zu dem Projekt, nachdem Roque den entscheidenden Katalysator bereits entdeckt hatte. Seine Rolle wird in den kommenden Monaten vertieft, da er nach neuen Fortschritten in der Borylierung strebt.

„Joses Katalysator ist bahnbrechend. Normalerweise ist ein völlig anderer Katalysator erforderlich, um die Ortsselektivität zu ändern“, sagte Shimozono. „Im Gegensatz zu diesem Dogma zeigte Jose, dass die Verwendung von B2Pin2 als Borquelle eine meta-selektive Chemie ermöglicht, während die Verwendung von HBPin als Borquelle eine ortho-selektive Borylierung unter Verwendung desselben iPrACNCCo-Katalysators ermöglicht.“

„Im Allgemeinen gilt: Je mehr Methoden wir haben, um Gruppen an bestimmten Stellen in Molekülen einzubauen, desto besser. Dies gibt Pharmachemikern mehr Werkzeuge an die Hand, um Medikamente effizienter herzustellen und zu entdecken.“