Dirigidos por el director CHANG Sukbok, los científicos del Centro de Funcionalización Catalítica de Hidrocarburos del Instituto de Ciencias Básicas (IBS) han hecho un gran avance en la comprensión de la estructura y la reactividad de un intermediario clave en las reacciones catalíticas. Este intermedio, conocido como metal de transición-nitrenoide, juega 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 los materiales. Por lo tanto, es muy importante identificar los intermediarios involucrados en las reacciones de aminación, donde los grupos funcionales basados ​​en nitrógeno se introducen en las materias primas de hidrocarburos.

Los investigadores reconocieron la importancia de comprender la estructura y las propiedades de los intermedios de reacción en 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 médica y la ciencia de los materiales, con más de 120 grupos de investigación en todo el mundo contribuyendo 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 solo les permite existir por un momento fugaz. Además, las reacciones catalíticas tradicionales a menudo ocurren en una solución, donde las sustancias intermedias reaccionan rápidamente con otras moléculas, lo que las hace aún más difíciles de estudiar.

Para hacer frente a este desafío, el equipo de IBS ideó un enfoque experimental utilizando fotocristalografía de rayos X. Además, también se centraron en el seguimiento de las reacciones químicas en estado sólido en lugar de soluciones líquidas. Para ello, desarrollaron un nuevo complejo de rodio cromóforo con un ligando bidentado de dioxazolona, ​​en el que la transferencia de carga fotoinducida de metal a ligando inicia la amidación catalítica de CH de fuentes de hidrocarburos como el benceno.

Utilizando este sistema de nuevo diseño, los investigadores sintetizaron un complejo de coordinación aislable de rodio-dioxazolona. Luego, a través del análisis de difracción de rayos X de cristal único fotoinducido utilizando radiación sincrotrón (Laboratorio del Acelerador de Pohang), lograron revelar la estructura y las propiedades del intermedio de rodio-acilnitrenoide por primera vez. Además, este estudio fue diseñado para lograr también el seguimiento cristalográfico de la transferencia de rodio-acilnitreno hacia un nucleófilo externo en fase sólida, lo que proporciona instantáneas mecanísticas completas del proceso de transferencia de nitrenoide.

Esta investigación pionera marca un importante paso adelante en comparación con la investigación anterior en el campo de la catálisis que involucra intermediarios metal-nitrenoide. Mediante la observación de intermediarios de 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 las reacciones de aminación de hidrocarburos en el futuro.

El director Chang destacó la importancia de este descubrimiento al afirmar: « Hemos capturado experimentalmente el intermedio de metal de transición-nitrenoide, cuya existencia solo se había planteado como 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 varias industrias, posiblemente incluso contribuyendo al desarrollo de un « catalizador universal ».